2021年2月10日，南極熊獲悉，來自加州理工學(xué)院（Caltech）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

通過DLP 3D打印的復(fù)雜電極幾何體，圖片來自加州理工學(xué)院

研究人員利用DLP 3D打印技術(shù)，制造出復(fù)雜的聚合物結(jié)構(gòu)，然后通過熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)分別被證明可以作為陽極和陰極使用，并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學(xué)院研究生Kai Narita解釋說："已知聚合物的熱解會(huì)導(dǎo)致碳的形成。我們的方法利用這一現(xiàn)象來制造3D打印碳材料。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數(shù)字光處理工藝打印來創(chuàng)建3D聚合物結(jié)構(gòu)，然后在1000?C的溫度下熱解，將其轉(zhuǎn)化為碳的結(jié)構(gòu)。"

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來，鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分，為從消費(fèi)電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動(dòng)力。因此，在電化學(xué)領(lǐng)域，有大量的研究專門針對(duì)提高儲(chǔ)能設(shè)備的容量，同時(shí)使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們的手機(jī)續(xù)航更長(zhǎng)之外，更好的電池對(duì)氣候變化也有重大影響，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鷾p少對(duì)化石燃料的依賴，而促進(jìn)可再生能源的使用。遺憾的是，電動(dòng)汽車以及風(fēng)能和太陽能電網(wǎng)儲(chǔ)能等應(yīng)用，即使是最前沿的技術(shù)，也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中，能量密度(可存儲(chǔ)的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的。例如，增加電極的質(zhì)量將增加其能量密度，但由于電極厚度的增加，離子和電子被迫在放電前移動(dòng)更多的距離，從而降低其功率密度。如果將這種關(guān)系解耦，儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度和功率密度都可以同時(shí)提高。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像，圖片來自加州理工學(xué)院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實(shí)際上已經(jīng)開始探索應(yīng)用，但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出，這并不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決了分辨率的問題，但由于它是基于聚合物化學(xué)的，所以通常與電極材料不兼容。

△3D打印的碳電極層特寫，圖片來自加州理工學(xué)院

利用DLP-熱解技術(shù)，加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)烧叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項(xiàng)技術(shù)能夠打印出厚厚的電極結(jié)構(gòu)與微觀和納米大小的子結(jié)構(gòu)，為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結(jié)道："創(chuàng)建3D打印電極，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸以及材料進(jìn)行完全控制，使我們更加接近可擴(kuò)展的、可靠的固態(tài)電池制造方法，這種方法安全、機(jī)械堅(jiān)固、高效。"

更多的研究細(xì)節(jié)可參見《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。