深圳大学陈张伟教授团队：3D打印网格状多孔三维电极实现厚电极中锂离子的快速传输

| 3DScienceValley · 2023/07/30

以下文章来源于特陶人，作者JAC编辑部

锂离子电池是目前应用最为广泛的储能器件之一。随着电动汽车、移动电子设备及工业储能的快速发展，对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了越来越高的要求。在现有技术体系基础上，如何进一步比能量是锂离子电池技术面临的关键问题。锂离子电池的核心组件包括：正极、隔膜、负极、电解液、集流体、封装等，是典型的多组件、多材料、多功能器件，电池材料体系和电池构型设计是影响性能的两个关键方面。目前的锂离子电池采用“薄电极+叠片/卷绕”构型，将正极、隔膜、负极按顺序叠片或卷绕成为电芯，经封装后获得成品电池。集流体上活性材料的厚度不超过100μm，这种薄电极构型需要大量的铜箔、铝箔等集流体以及隔膜等非活性材料，导致电芯中活性材料的占比较低，而金属集流体密度大，对电池的能量密度产生不利影响。厚电极可以减少集流体和隔膜的用量，提升活性材料占比，有利于提升电池比能量。但增加电极厚度会使锂离子在电极中的扩散距离增加，影响电化学反应速率，对功率密度产生不利影响。

厚电极具有活性材料负载量高、比能量高等优势，但如何解决厚电极中锂离子的扩散速率是发挥厚电极优势的关键。因此，创新电极的结构设计，优化锂离子在电极中的扩散路径，减小锂离子在电极中的扩散距离，具有重要的意义。

深圳大学陈张伟教授团队使用低温直写3D打印技术制备了网格状多孔三维Li4Ti5O12负极，通过在厚电极中引入垂直贯通孔，作为锂离子扩散的快速通道，避免了锂离子在迂曲厚电极中扩散距离长的难题，在厚电极中实现了较为优异的电化学性能。

研究人员首先分析了传统的平面电极和网格状多孔三维电极中锂离子的扩散机制，并用COMSOL仿真软件分析了电极结构对电池性能的影响，验证了垂直贯通孔对提升锂离子扩散速率的有效性。研究人员选择Li4Ti5O12负极，配制了适合打印的Li4Ti5O12负极浆料，优化打印工艺，使用低温直写3D打印技术制备出网格状Li4Ti5O12负极，电极厚度分别达到350μm、760μm 以及1085μm，相应的活性材料面负载量达到12.89 mg/cm2、26.36 mg/cm2以及39.44 mg/cm2，电极厚度及活性材料负载量达到传统薄电极的10倍以上。当电极厚度为1085 μm时，其比容量可达到145 mAh/g1@1.0 C，面容量密度达到5.88 mAh/cm2@1.0 C, 面能量密度达到28.95 J/cm2@1.0 C，面功率密度达到8.04 mW/cm2@1.0 C。这些结果表明：在引入垂直贯通孔的情况下，即使电极厚度大幅增加，仍然可以实现较为优异的电化学性能，为高负载量、大厚度、高性能的锂离子电池电极构建提供一种新的技术途径。

图文导读

图1 平面电极构型与网格状多孔三维电极构型对比，电极中锂离子扩散路径示意图：(a) 平面电极构型; (b) 网格状多孔三维电极构型; (c) 平面薄电极中锂离子扩散路径; (d) 平面厚电极中锂离子扩散路径; (e) 网格状多孔三维电极中锂离子扩散路径。

图2 相同电极厚度 (0.3 mm) 下，平面电极和网格状多孔三维电极的电化学性能仿真：(a) 平面厚度电极中的锂离子扩散路径; (b) ~ (d) 平面电极1.0 C、2.0 C和5.0 C倍率放电结束时的锂离子浓度分布; (e) 网格状多孔三维电极中的锂离子扩散路径; (f) ~ (h) 网格状多孔三维电极1.0 C、2.0 C和5.0 C倍率放电结束时的锂离子浓度分布。

图3 低温直写3D打印网格状Li4Ti5O12负极：(a) 打印示意图; (b) 打印电极及其形貌; (c) ~ (d) 浆料流变性能; (e) 电极厚度与打印层数的关系; (f) ~ (g) SEM微观形貌; (h) 电极压缩强度。

图4 3D打印网格状多孔Li4Ti5O12负极的电化学性能：(a) ~ (c) 4层、8层、12层不同厚度电极的充放电曲线; (d) 倍率性能; (e) 面容量密度对比; (f) 面能量密度和功率密度Ragone图。

论文引用信息：

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