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研究人員利用熔絲制造和燒結(jié)法制造全陶瓷電極 可用于鋰離子電池

時(shí)間:2021-11-27 17:45來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：sciencedirect）
 
         鋰離子電池具有功率強(qiáng)、能量密度高和使用壽命長等優(yōu)勢。據(jù)外媒報(bào)道，一項(xiàng)新研究探討鋰離子電池在3D打印中的應(yīng)用。
 
        對大容量電池系統(tǒng)的需求，如電動(dòng)汽車中使用的系統(tǒng)，現(xiàn)在可以通過在電池模塊中加入數(shù)百或數(shù)千個(gè)普通電芯來滿足。在這種情況下，需要解決空間利用問題。管理此類電池存儲(chǔ)，挑戰(zhàn)在于精確控制電芯能量和電池狀態(tài)。為了解決這些問題，可以考慮兩種方法：改善所涉及材料的電化學(xué)特性，或者優(yōu)化電池和設(shè)備的結(jié)構(gòu)。就后者而言，使用多功能電池，除了電氣用途，還具有結(jié)構(gòu)用途，旨在降低整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。
 
       事實(shí)上，采用具有特定形狀的電池，以適應(yīng)電子設(shè)備內(nèi)部的特定位置，可能是有用的方法。通過優(yōu)化活性材料數(shù)量，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量密度。近十年來，已經(jīng)開發(fā)出了各種各樣的解決方案，通過開發(fā)具有更大表面積的電極，如帶交叉形電極的鋰離子電池，提高設(shè)備的功率密度和能量。然而，大多數(shù)商用電芯類型的幾何形狀范圍非常有限，限制了通過改變電池存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性。
 
       鋰離子電池熔絲的制備
 
       與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，3D打印的功率設(shè)備及其元件，在這一領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，可以開發(fā)具有高表面積的電極，或制造具有適合特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾何形狀設(shè)備，并優(yōu)化工藝中活性材料的數(shù)量。熔絲制造 (FFF) 是一種可行且低成本的鋰離子電池制造方法，在不同技術(shù)中可用于制造具有定制幾何結(jié)構(gòu)的鋰離子電池。比起需要使用有機(jī)粘結(jié)劑的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合電極，全陶瓷電極具有更高的能量密度，因此，將陶瓷FFF應(yīng)用于電極領(lǐng)域，可能是一項(xiàng)有價(jià)值的技術(shù)。
 
       此項(xiàng)研究詳細(xì)介紹了通過FFF 3D打印復(fù)合長絲和燒結(jié)法，制備全陶瓷LTO負(fù)極和LCO電極，并對打印電極的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、相穩(wěn)定性和電化學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過這種方法制備的3D打印LTO和LCO電極，具有與單軸壓制陶瓷顆粒相同的電導(dǎo)率，分別顯示168和129mAh g-1，為理論容量的96%和94%。
 
       無論是在個(gè)人還是工業(yè)層面上，熔絲制造都是應(yīng)用最廣泛的增材制造創(chuàng)新方法，因其具有易用性、大規(guī)模制造能力，可以利用多種商用材料、低成本組件和3D打印設(shè)備。其他一些常見方法，如直寫成型技術(shù)DIW或光聚合（vat polymerization）工藝，能夠提供更好的分辨率，但存儲(chǔ)和管理墨水和樹脂原材料更加困難。可能出現(xiàn)退化和穩(wěn)定問題，特別是在使用漿料的情況下，因?yàn)楣腆w載荷需要凝聚/沉淀，樂觀的結(jié)果是采用中間重構(gòu)過程。
 
       FFF應(yīng)用方法
 
       另一方面，F(xiàn)FF采用固體熱塑性長絲，在使用前可以真空保存。此外，與DIW或光聚合方法不同，在這些長絲上可以直接加入固體填料/孔前體，而且在3D打印過程中不會(huì)產(chǎn)生任何實(shí)質(zhì)性的改變。FFF技術(shù)也是多材料打印機(jī)領(lǐng)域最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。
 
       最近商業(yè)領(lǐng)域引入石墨烯/PLA復(fù)合長絲等許多材料，并通過一系列研究利用這些材料來制造石墨烯基鋰離子電池負(fù)極，然而可用于電化學(xué)裝置的商用FFF原料長絲有限。DIW，即直寫成型技術(shù)，在3D打印過程中存在重大問題，比如以墨水為原材料，存在長期儲(chǔ)存問題，而且比FFF中使用的長絲更難管理。這項(xiàng)研究推進(jìn)了創(chuàng)建FFF 3D打印鋰離子電池，這些電池具有通常與DIW有關(guān)的微特征。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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