供稿人：劉子瑋、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-03-01
隨著可穿戴設(shè)備和仿生電子皮膚等智能電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，非常需要具有定制形狀、出色靈活性、功能性和高性能的可充電鋰離子電池，這在很大程度上依賴于先進材料、架構(gòu)和制造工藝的開發(fā)。3D 打印技術(shù)的興起為制造定制的柔性鋰離子電池提供了一種高效、經(jīng)濟且可控的策略。組件的形狀，包括電極，隔板（或固態(tài)電解質(zhì)），集流體和電池盒，可以使用3D打印技術(shù)專門設(shè)計和打印。利用3D打印可以將電極直接整合到精確設(shè)計的3D物體中。此外，3D打印可以設(shè)計具有短離子或電子擴散路徑的3D結(jié)構(gòu)電極。各種3D打印技術(shù)已被應(yīng)用于制造鋰離子電池的定制電極，例如直接墨水書寫（DIW），熔融沉積建模，數(shù)字光處理，等等。其中，DIW方法廣泛應(yīng)用于3D打印鋰離子電池中。DIW的油墨幾乎是無限類型的可印刷材料，其中電極漿料可以直接用作DIW的油墨。然而，由于油墨的機械性能較差且溶劑含量高，因此無法使用DIW獲得懸浮結(jié)構(gòu)。由于DIW 墨水的高溶劑含量 （≈2.25–4 mL g?1），油墨本身的重量在垂直建造時會造成變形或結(jié)構(gòu)損壞。此外，需要后處理程序（例如，干燥或凍干）以除去油墨的溶劑，這會引起結(jié)構(gòu)變形或損壞的風(fēng)險和額外的成本。這些缺點極大地阻礙了DIW在定制3D打印電池上的應(yīng)用。與DIW相比，F(xiàn)DM技術(shù)的特點是快速凝固過程，在印刷過程中提供重要的結(jié)構(gòu)支撐。FDM的預(yù)成型結(jié)構(gòu)有助于打印具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的鋰離子電池。在FDM打印過程中，長絲在打印頭中被加熱到熔融狀態(tài)，然后將墨水?dāng)D出到平臺上。熔融油墨從噴嘴擠出后會迅速凝固。通常，通過FDM打印獲得的電池組件可以直接用于電池，而無需后處理。因此，F(xiàn)DM技術(shù)為3D打印電池提供了高度的可定制性。然而，F(xiàn)DM在3D打印電池上的應(yīng)用仍然受到打印絲發(fā)展的限制。
圖1 TPU材料的3D打印技術(shù)概念與應(yīng)用
熱塑性聚氨酯（TPU）是FDM印刷中常用的聚合物，因為它具有出色的柔韌性（斷裂伸長率超過600%）和穩(wěn)定的熔融溫度（190-200°C）?；谏鲜隹啥ㄖ菩?、靈活性和電化學(xué)性能的考慮，本工作開發(fā)并通過FDM技術(shù)獲得了基于熱塑性聚氨酯的3D打印電極。研究了印刷不同類型電極的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu).比較了TPU基電極和PLA電極的電化學(xué)性能和力學(xué)性能。拉伸試驗結(jié)果表明，TPU基長絲的伸長率是PLA基長絲的6倍。此外，TPU在上百次循環(huán)后仍保留了95%以上的比容量，這比3D打印的PLA電極要好得多。
圖2 PLA與TPU電極的性能測試仿真與實驗
采用后分析和多物理場仿真技術(shù)揭示了PLA電極與TPU電極性能差異的原因。所開發(fā)的3D打印TPU基電極可以促進具有出色循環(huán)穩(wěn)定性的3D打印柔性鋰離子電池的廣泛應(yīng)用。