頂級期刊：中科院物化所開發(fā)出3D打印金屬鋰電池，超4800h的超長循環(huán)壽命！

2022年10月，南極熊獲悉，來自中國科學院大連化學物理研究所催化重點實驗室的研究人員開發(fā)出一種新型鋰金屬電池，他們利用了3D打印技術顯著提高了電池的壽命和能量密度。



他們的研究內容已經(jīng)于2022年10月19日公開發(fā)表在了《Energy Storage Materials journal》上，題目為《All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density 》（《全3D打印鋰金屬電池，具有分層和導電多孔骨架，可實現(xiàn)超高面能量密度》）

研究背景
混合動力汽車和可穿戴微電子的快速發(fā)展極大地加快了鋰空氣、鋰硫和鋰金屬電池(LMB)等高能量密度系統(tǒng)的開發(fā)。其中，金屬鋰，由于其具有較低的氧化還原電位和突出的理論容量，被認為是高能量密度電池的理想負極。但是，由于鋰離子通量的不均勻和鋰電解液界面的不穩(wěn)定，金屬鋰的枝晶生長和巨大的體積變化會導致庫侖效率(CE)和循環(huán)壽命不佳，并伴隨“死鋰”，從而阻礙了LMBs的商業(yè)應用。

研究內容


△3D打印LMBs制作過程的示意圖

在這項工作中，研究人員使用3D打印技術，開發(fā)了多孔導電的Ti3C2Tx MXene，作為無枝晶和穩(wěn)定的Li陽極，以及多維導電的LiFePO4(LFP)晶格作為超厚陰極，以構建具有強大的循環(huán)穩(wěn)定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具體地說，高濃度的Mxene油墨具有高的表觀粘度約為105pa⋅s和并具有一定的屈服應力(3990P.)，有利于3D打印清晰的圖案化電極。

由此形成的導電性多孔網(wǎng)絡不僅使鋰離子通量和局部電流分布均勻，而且Ti3C2Tx Mxene的親鋰基團O和F可以與鋰離子反應形成均勻的SEI膜，有效地控制了金屬Li的均勻形核和生長，抑制了Li樹枝晶的生長。

研究結果


△MXene@Li和Cu@Li電極的機理表征

●結果表明，用3D打印的此款鋰電池即便有超長循環(huán)壽命（超過4800h）和高倍率性能。

●此外，3D打印的超厚(~3100μm)LFP陰極具有171 mg/cm2的超高質量負載量，并具有3D層狀導電網(wǎng)絡和豐富的孔結構，可以與無樹枝晶的Mxene@Li陽極相結合，構建LMBs。

●全3D打印LMB具有低Li過剩容量(50%過剩容量)，大大增強了500次循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性，25.3mAh/cm2的面積容量，具有81.6MWh/cm2的面能量密度，遠遠超過目前最先進的3D打印電池。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.036