中國粉體網(wǎng)訊 石墨烯和3D打印的概念大家都不陌生,特別是前一段時間,華為的石墨烯電池事件更是讓石墨烯站上了風口浪尖,雖然事件的相關(guān)方面紛紛澄清,各路媒體也使盡渾身解數(shù)對華為的石墨烯進行解讀,但是這并不妨礙廣大的圍觀群眾對華為的石墨烯電池津津樂道,品頭論足,一時間華為被廣大群眾奉為中國企業(yè)創(chuàng)新的典范、技術(shù)先鋒,出盡風頭。3D打印技術(shù)也在近年如雨后春筍一般快速崛起,不僅僅是傳統(tǒng)的塑料類材質(zhì),甚至一些金屬類材料也可以打印,應用領(lǐng)域也從民用,擴展到工業(yè)和航空領(lǐng)域,在一些飛機發(fā)動機生產(chǎn)中就使用到了3D打印技術(shù),用于一些復雜形狀的零部件的生產(chǎn),極大的提高了產(chǎn)品的成品率,降低了加工難度。
那么這兩種高端技術(shù)如果應用在鋰離子電池會產(chǎn)生什么顛覆性的效果呢?嚴格的意義上,鋰離子電池的電極涂布是一種“2.5D打印技術(shù)”,因為電極涂布過程可以控制厚度,但是無法控制形狀,整個涂布機實際上就是一臺巨大的打印機。3D打印技術(shù)的快速發(fā)展,讓許多以前無法實現(xiàn)的設想成為現(xiàn)實,想象以下,有一天當你需要一枚鋰離子電池時,你只需要從網(wǎng)上下載設計方案,導入到3D打印機里,就可以直接獲得一枚完整的鋰離子電池,是不是很炫酷?
近日,美國馬里蘭大學-帕克分校的Kun Fu等人就為這一美好的愿望插上了翅膀,讓它從夢想飛入現(xiàn)實。Kun Fu設計了一款實用3D打印技術(shù)制備的全固態(tài)鋰離子電池,該電池的尺寸為7*3mm,正負極的重量分別為3.8mg和3.9mg,,電解質(zhì)采用了聚合物全固態(tài)電解質(zhì)。3D打印最重要的自然就是墨水了,打印鋰離子電池的墨水就是正極、負極和電解液,Kun Fu采用水和高濃度的氧化石墨烯GO,與正極、負極活性物質(zhì)作為打印正負極的墨水,電解液采用聚合物電解質(zhì)。氧化石墨烯GO的加入顯著提升了電極的導電性,提升了3D打印電池的性能。水系溶液體系,更加綠色環(huán)保、安全和廉價。
Kun Fu設計的電池,正負極分別采用了磷酸鐵鋰LFP和鈦酸鋰LTO,打印過程是通過噴嘴首先噴出細絲,根據(jù)設定好的程序一層一層的鋪在基板上,然后采用冷凍干燥,以除去其中的水分和固化結(jié)構(gòu),然后經(jīng)過熱處理,使氧化石墨烯GO轉(zhuǎn)變?yōu)檫原石墨烯,最后在正負極之間的間隙內(nèi)填入聚合物電解質(zhì),就完成了3D打印電池的制作。在電極中,由于剪切力的作用氧化石墨烯GO呈現(xiàn)出規(guī)則排列,增強了電子導電性,此外氧化石墨烯GO的多孔結(jié)構(gòu)也為LFO或者LTO和電解液提供了大量的附著點。
當然對于一款用于3D打印的墨水,流變特性是最為重要的屬性,這將直接影響打印效果,對GO,LFP/GO,LTO/GO體系研究發(fā)現(xiàn),三者的流變特性曲線幾乎一致,表明LFO、LTO對漿料的流變特性影響不大。并且漿料具有很高的表觀粘度,在1/s的剪切速度下,漿料的粘度為100-1000Pa,者有利于復雜結(jié)構(gòu)的打印和設計。存儲實驗表明,在長達四周的時間內(nèi),漿料的粘度僅有輕微的上升,漿料仍然保持了剪切變稀的特性,表觀粘度仍然維持在了100-1000Pa的范圍內(nèi),這表明該用于3D打印的墨水,具有良好的儲存特性。
當然對于一款鋰離子電池來說,最為重要的還是電化學性能。電化學測試表明,LFO/GO半電池在10mA/g的電流密度下,充放電容量分別達到168和164mAh/g,十分接近LFP的理論比容量170mAh/g。LTO/GO半電池在10mA/g的電流密度下充放電容量分別達到184和185 mAh/g,這甚至要高于LTO的理論比容量175mAh/g,這可能是還原氧化石墨烯的貢獻。在倍率性能測試中,發(fā)現(xiàn)LTO負極的倍率性能,要明顯低于LFP正極的倍率性能,這主要是兩個方面的原因造成的,首先LTO的電子電導率要低于LFP材料(6.1和31.6S/cm),其次LTO顆粒藥明顯大于LFP(200和50nm),這影響了Li+的擴撒和電荷交換。
3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢能夠根據(jù)需求定制具有特殊形狀的電池,例如在一些微型機器人領(lǐng)域,傳統(tǒng)的鋰離子電池技術(shù),無法生產(chǎn)微型和特殊形狀的鋰離子電池,而3D打印技術(shù)就不存在這一問題,可以極大擴展鋰離子電池的應用領(lǐng)域。