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微纳3D打印锂电池

微纳3D打印锂电池

供稿人:雷奇   发布日期:2017-10-01
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随着近年来微电子技术的发展,小型化的设备日益增多, 对电源提出了很高的要求。锂电池由于其能量密度高、额定电压高、充电速度快和使用寿命长等优点,而被广泛应用于各种电子产品中。与传统锂电池加工方法相比,利用微纳3D打印方法制造出的三维微纳结构锂电池可以充分利用有限的空间,使电池的能量密度翻倍,极大提高电池的性能。为此,科研人员做出了积极的探索。

哈佛大学的研究团队研发了含有Li4Ti5O12 (LTO,阳极材料)和LiFePO4 (LFP,阴极材料)的功能墨水,利用微纳3D打印方法打印出了高性能锂电池[1]。如图1所示,该锂电池的打印精度为30微米,薄壁型阴阳极相互交叉排列,充分利用了有限的空间,电极材料的体积膨胀系数极小,保证了充放电过程中电池的稳定性。该锂电池功率密度2.7mWcm–2时拥有很高的能量密度9.7Jcm−2。

图1 3D打印的锂电池 A锂电池的微观交叉结构 B 经过包装的锂电池

随后,纳米导电材料被添加到电极材料中来提高3D锂电池的性能。Kun Fu等[2]在锂电池材料中添加了纳米导电材料氧化石墨烯(GO),GO的添加增强了电极材料的导电性,不仅如此,GO的片状多孔结构的大比表面积容纳和吸附了更多的纳米电极材料。Jiangtao Hu等[3]将碳材料包裹在电极材料表面来增加其导电性。这些举措都显著增强了锂电池的电荷存储能力与电化学性能。

3D打印的锂电池极大提高了电池的性能,虽目前处于实验阶段,但随着3D打印技术与材料科学的快速发展,3D打印的锂电池将走出实验室,服务于大众生活。

参考文献:

  1. Sun K, Wei T S, Ahn B Y, et al. 3D Printing of interdigitated Li-ion microbattery architectures[J]. Advanced Materials, 2013, 25(33): 4539-4543.
  2. Fu K, Wang Y, Yan C, et al. Graphene Oxide‐Based Electrode Inks for 3D‐Printed Lithium-Ion Batteries[J]. Advanced Materials, 2016.
  3. Pan F. 3D-Printed Cathodes of LiMn1-XFexPO4 nanocrystals Achieve Both Ultrahigh Rate and High Capacity for Advanced Lithium-Ion Battery[C].18th International Meeting on Lithium Batteries (June 19-24, 2016). Ecs, 2016.