深圳大學陳張偉教授團隊：3D打印網(wǎng)格狀多孔三維電極實現(xiàn)厚電極中鋰離子的快速傳輸

來源：特陶人

鋰離子電池是目前應用最為廣泛的儲能器件之一。隨著電動汽車、移動電子設備及工業(yè)儲能的快速發(fā)展，對鋰離子電池的能量密度和功率密度提出了越來越高的要求。在現(xiàn)有技術體系基礎上，如何進一步比能量是鋰離子電池技術面臨的關鍵問題。鋰離子電池的核心組件包括：正極、隔膜、負極、電解液、集流體、封裝等，是典型的多組件、多材料、多功能器件，電池材料體系和電池構型設計是影響性能的兩個關鍵方面。目前的鋰離子電池采用“薄電極+疊片/卷繞”構型，將正極、隔膜、負極按順序疊片或卷繞成為電芯，經(jīng)封裝后獲得成品電池。集流體上活性材料的厚度不超過100μm，這種薄電極構型需要大量的銅箔、鋁箔等集流體以及隔膜等非活性材料，導致電芯中活性材料的占比較低，而金屬集流體密度大，對電池的能量密度產生不利影響。厚電極可以減少集流體和隔膜的用量，提升活性材料占比，有利于提升電池比能量。但增加電極厚度會使鋰離子在電極中的擴散距離增加，影響電化學反應速率，對功率密度產生不利影響。

厚電極具有活性材料負載量高、比能量高等優(yōu)勢，但如何解決厚電極中鋰離子的擴散速率是發(fā)揮厚電極優(yōu)勢的關鍵。因此，創(chuàng)新電極的結構設計，優(yōu)化鋰離子在電極中的擴散路徑，減小鋰離子在電極中的擴散距離，具有重要的意義。

深圳大學陳張偉教授團隊使用低溫直寫3D打印技術制備了網(wǎng)格狀多孔三維Li4Ti5O12負極，通過在厚電極中引入垂直貫通孔，作為鋰離子擴散的快速通道，避免了鋰離子在迂曲厚電極中擴散距離長的難題，在厚電極中實現(xiàn)了較為優(yōu)異的電化學性能。

研究人員首先分析了傳統(tǒng)的平面電極和網(wǎng)格狀多孔三維電極中鋰離子的擴散機制，并用COMSOL仿真軟件分析了電極結構對電池性能的影響，驗證了垂直貫通孔對提升鋰離子擴散速率的有效性。研究人員選擇Li4Ti5O12負極，配制了適合打印的Li4Ti5O12負極漿料，優(yōu)化打印工藝，使用低溫直寫3D打印技術制備出網(wǎng)格狀Li4Ti5O12負極，電極厚度分別達到350μm、760μm 以及1085μm，相應的活性材料面負載量達到12.89 mg/cm2、26.36 mg/cm2以及39.44 mg/cm2，電極厚度及活性材料負載量達到傳統(tǒng)薄電極的10倍以上。當電極厚度為1085 μm時，其比容量可達到145 mAh/g1@1.0 C，面容量密度達到5.88 mAh/cm2@1.0 C, 面能量密度達到28.95 J/cm2@1.0 C，面功率密度達到8.04 mW/cm2@1.0 C。這些結果表明：在引入垂直貫通孔的情況下，即使電極厚度大幅增加，仍然可以實現(xiàn)較為優(yōu)異的電化學性能，為高負載量、大厚度、高性能的鋰離子電池電極構建提供一種新的技術途徑。

圖1 平面電極構型與網(wǎng)格狀多孔三維電極構型對比，電極中鋰離子擴散路徑示意圖：(a) 平面電極構型; (b) 網(wǎng)格狀多孔三維電極構型; (c) 平面薄電極中鋰離子擴散路徑; (d) 平面厚電極中鋰離子擴散路徑; (e) 網(wǎng)格狀多孔三維電極中鋰離子擴散路徑。

圖2 相同電極厚度 (0.3 mm) 下，平面電極和網(wǎng)格狀多孔三維電極的電化學性能仿真：(a) 平面厚度電極中的鋰離子擴散路徑; (b) ~ (d) 平面電極1.0 C、2.0 C和5.0 C倍率放電結束時的鋰離子濃度分布; (e) 網(wǎng)格狀多孔三維電極中的鋰離子擴散路徑; (f) ~ (h) 網(wǎng)格狀多孔三維電極1.0 C、2.0 C和5.0 C倍率放電結束時的鋰離子濃度分布。

圖3 低溫直寫3D打印網(wǎng)格狀Li4Ti5O12負極：(a) 打印示意圖; (b) 打印電極及其形貌; (c) ~ (d) 漿料流變性能; (e) 電極厚度與打印層數(shù)的關系; (f) ~ (g) SEM微觀形貌; (h) 電極壓縮強度。

圖4 3D打印網(wǎng)格狀多孔Li4Ti5O12負極的電化學性能：(a) ~ (c) 4層、8層、12層不同厚度電極的充放電曲線; (d) 倍率性能; (e) 面容量密度對比; (f) 面能量密度和功率密度Ragone圖。

論文引用信息：

LIU C, QIU Y, LIU Y, et al. Novel 3D grid porous Li4Ti5O12 thick electrodes fabricated by 3D printing for high performance lithium-ion batteries. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(2): 295-307. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0533-7

研究團隊

第一作者：劉長勇，深圳大學長聘副教授、高級工程師、中國機械工程學會高級會員，博士畢業(yè)于清華大學機械工程系。

主要從事新能源器件的增材制造以及金屬增材制造技術相關研究，主持國家自然科學基金、廣東省及深圳市等各級項目10余項，發(fā)表學術論文60余篇，相關成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics、Additive Manufacturing、Journal of Colloid and Interface Science、Materials Today Energy、Electrochimica Acta等權威期刊，擔任國家自然科學基金同行評審專家、廣東省及深圳市科技項目評審專家等。

通訊作者：陳張偉，深圳大學長聘教授、博導、優(yōu)秀學者、增材制造研究所所長，增材制造學科帶頭人，連續(xù)兩年入選斯坦福-愛思唯爾全球前2%頂尖科學家 (2021、2022)。

西安交通大學和法國里昂中央理工大學雙碩士、英國倫敦帝國理工學院博士。至今從事3D打印研究15年。在 Prog Mater Sci、Nano Energy、Acta Mater、Addit Manuf、J Adv Ceram等知名期刊發(fā)表論文110余篇，單篇最高被引超1000次，20余篇影響因子大于10，入選ESI全球高被引和熱點論文4篇次。任中國機械工程學會增材制造分會委員、中國硅酸鹽學會測試分會理事、第一屆中國陶瓷增材制造前沿科學家論壇創(chuàng)始主席、組織舉辦ICC8等權威國際會議中的陶瓷增材論壇并做特邀報告20余次。任SCI/EI期刊Journal of Advanced Ceramics、《無機材料學報》和《材料工程》等9家期刊編委/青年編委，以及中國、歐盟、加拿大、新加坡、瑞士、新西蘭等國家基金項目函評專家。獲帝國理工JKP優(yōu)秀博士論文獎、中國產學研合作創(chuàng)新獎、中國硅酸鹽學會特陶分會優(yōu)青獎、廣東省特支計劃高層次人才，廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才。指導學生獲中國國際互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽廣東省銀獎2項和國家銅獎1項。研究成果獲《科技日報》、《人民網(wǎng)》、《新華網(wǎng)》、3DPRINT、3D Printing Industry等國內外媒體報道。