供稿人:李坚 鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-11-21
具有超高容量的锂离子电池的研究是目前较为热门的研究内容。目前常用的方式是通过增加电池电极的厚度来增加面积容量。然而，由于厚电极电解液渗透不完全、机械性能差、电荷和离子传输速度慢等一系列问题，导致这些厚电极离实际还有很大距离。因此，天津大学Sun Chuang等人提出了一种新的方法，通过3D打印将含有银纳米线（AgNWs）、氧化石墨烯和Li4Ti5O12的混合功能凝胶态墨水定向沉积，构成高电导率的分层结构（图1）。其中高导电性的AgNW网络、高比表面积的三维石墨烯框架和互连互通的分层多孔结构的结合，不仅使厚电极具有较大的电荷和离子存储和传输性能，还可减轻充放电过程中活性材料体积变化引起的内应力。
图1 （a）3D打印电极过程示意图。（b）GO-AgNWs-LTO墨水光镜图。（c）不同厚度rGO-AgNWs-LTO电极冷冻干燥后的结构图。（d）3D打印结构侧面的扫描电镜图，在该图中，可以观察到3D打印的细丝紧密地堆叠在一起，具有良好的层间均匀性
作者分别分析了rGO-AgNWs-LTO和rGO-LTO电极。扫描电镜图片显示，除了细丝相交形成的大孔隙外（图2a），通过冷冻干燥程序，在长丝表面产生了大量孔径从几微米到几十微米不等的孔（图2b）。这些微米大小的孔与开放的网状结构相结合，有助于液体电解质渗透到内部活性部位。从横截面图像（图2c、d）可以看出，LTO纳米粒子紧密地粘附在连续的3D网络上。这种连续的导电网络有助于电子在系统中的储存和传输。元素能谱图验证了LTO纳米颗粒均匀分散在AgNW-rGO网络中（图2e-h）。
图2 （a）3D打印rGO-AgNWs-LTO电极结构整体图、（b）放大的局部图、（c）横截面图和（d）放大的横截面图。3D打印rGO-AgNWs-LTO电极的（e）C；（f）O；（g）Ti；和（h）Ag元素的能谱图
电化学性能测试结果显示，通过3D打印制作的锂离子电池厚电极在10C下具有121 mAh g−1的速率能力，此外还具有高达4.74 mAh cm−2的高面积容量（电流密度为1.06 mA cm−2）和稳定的循环性能（100次循环后容量保持约95.5%）。这些优异的性能数据表明通过3D打印技术制备厚电极的可能性，为下一代高性能储能装置的制作提供新的思路。