來自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)出一種新型鋰金屬電池，他們利用了3D打印技術(shù)顯著提高了電池的壽命和能量密度。

他們的研究內(nèi)容已經(jīng)于2022年10月19日公開發(fā)表在了《Energy Storage Materials journal》上，題目為《All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density 》（《全3D打印鋰金屬電池，具有分層和導(dǎo)電多孔骨架，可實(shí)現(xiàn)超高面能量密度》）

研究背景

混合動(dòng)力汽車和可穿戴微電子的快速發(fā)展極大地加快了鋰空氣、鋰硫和鋰金屬電池(LMB)等高能量密度系統(tǒng)的開發(fā)。其中，金屬鋰，由于其具有較低的氧化還原電位和突出的理論容量，被認(rèn)為是高能量密度電池的理想負(fù)極。但是，由于鋰離子通量的不均勻和鋰電解液界面的不穩(wěn)定，金屬鋰的枝晶生長和巨大的體積變化會導(dǎo)致庫侖效率(CE)和循環(huán)壽命不佳，并伴隨“死鋰”，從而阻礙了LMBs的商業(yè)應(yīng)用。

研究內(nèi)容

△3D打印LMBs制作過程的示意圖

在這項(xiàng)工作中，研究人員使用3D打印技術(shù)，開發(fā)了多孔導(dǎo)電的Ti3C2Tx MXene，作為無枝晶和穩(wěn)定的Li陽極，以及多維導(dǎo)電的LiFePO4(LFP)晶格作為超厚陰極，以構(gòu)建具有強(qiáng)大的循環(huán)穩(wěn)定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具體地說，高濃度的Mxene油墨具有高的表觀粘度約為105pa⋅s和并具有一定的屈服應(yīng)力(3990P.)，有利于3D打印清晰的圖案化電極。

由此形成的導(dǎo)電性多孔網(wǎng)絡(luò)不僅使鋰離子通量和局部電流分布均勻，而且Ti3C2Tx Mxene的親鋰基團(tuán)O和F可以與鋰離子反應(yīng)形成均勻的SEI膜，有效地控制了金屬Li的均勻形核和生長，抑制了Li樹枝晶的生長。

研究結(jié)果

△MXene@Li和Cu@Li電極的機(jī)理表征

●結(jié)果表明，用3D打印的此款鋰電池即便有超長循環(huán)壽命（超過4800h）和高倍率性能。

●此外，3D打印的超厚(~3100μm)LFP陰極具有171 mg/cm2的超高質(zhì)量負(fù)載量，并具有3D層狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和豐富的孔結(jié)構(gòu)，可以與無樹枝晶的Mxene@Li陽極相結(jié)合，構(gòu)建LMBs。

●全3D打印LMB具有低Li過剩容量(50%過剩容量)，大大增強(qiáng)了500次循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性，25.3mAh/cm2的面積容量，具有81.6MWh/cm2的面能量密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前最先進(jìn)的3D打印電池。