供稿人:夏園林 魯中良 發(fā)布日期：2018-06-26
隨著科技的發(fā)展，對(duì)可定制鋰離子電池的需求量越來(lái)越大，生產(chǎn)廠家不僅提出定制幾何形狀的要求，還強(qiáng)調(diào)了對(duì)新電池材料、結(jié)構(gòu)和組裝的需求。因此，提出一種能夠兼具設(shè)計(jì)、制造和電化學(xué)性能的3D打印鋰電池工藝顯得尤為迫切。
該文章提出一種具有高面積容量固體厚電極的鋰電池3D打印技術(shù)。通過(guò)打印半固態(tài)陰極和陽(yáng)極油墨，打印完成后進(jìn)一步UV固化，最后對(duì)其封裝使其處于在兩個(gè)玻璃碳集流體之間，油墨便于空氣隔離。與以前報(bào)道的微型鋰電池相比，全3D打印鋰電池組成的厚、雙相半固態(tài)電極具有十倍的面積容量。具體而言，這些由分散良好的活性電極顆粒（LFP或LTO）組成的雙相電極，與導(dǎo)電碳顆粒混合，在鋰基電解質(zhì)溶液中形成滲透網(wǎng)絡(luò)。LFP/LTO的電化學(xué)耦合，使得它的體積變化很小，并且在電循環(huán)過(guò)程中有特殊的熱穩(wěn)定性。這對(duì)于制造厚電極是特別重要的。通過(guò)控制這兩個(gè)粒子群的各自濃度和相互作用，我們優(yōu)化了它們打印的流變性和電子/離子輸運(yùn)行為。重要的是，這種3D打印過(guò)程消除了干燥、電解質(zhì)膨脹、壓延、夾緊和與傳統(tǒng)的鋰電池制造相關(guān)的熱封工藝的需要。
通過(guò)該方法可以直接成型任意幾何形狀的整體鋰電池，包括陽(yáng)極、陰極、隔膜和外表封裝。該打印樣品能夠以0.14mAcm-2的電流密度提供4.45mAhcm-2的電容量容量，相當(dāng)于17.3 AhL-1。該方法為定制生產(chǎn)一體化高性能鋰電池開(kāi)辟了新的途徑。圖1為實(shí)際打印的大小為1cm×1cm×2.5mm整體鋰電池示意圖。
圖1 a）外形尺寸為1cm×1cm×2.5mm的全3D打印鋰離子電池結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔尺寸為6mm×6mm。b）直接成型的四種材料（陰極、隔膜、陽(yáng)極、封裝）