高科技的結(jié)合 石墨烯與3D打印如何顛覆鋰離子電池行業(yè)
電池絕對是未來最重要的能源載體，任何高科技產(chǎn)品都需要電去驅(qū)動它，充足的電意味著使用時間會更長久。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，應用領域也從民用，擴展到工業(yè)和航空領域，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域。
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