深圳大學陳張偉教授團隊：3D打印網格狀多孔三維電極實現厚電極中鋰離子的快速傳輸
時間：2023-07-31 15:07 來源：特陶人 作者：admin 閱讀：次
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儲能的快速發展，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、比能量高等優勢，但如何解決厚電極中鋰離子的擴散速率是發揮厚電極優勢的關鍵。因此，創新電極的結構設計，優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，在厚電極中實現了較為優異的電化學性能。
研究人員首先分析了傳統的平面電極和網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，優化打印工藝，使用低溫直寫3D打印技術制備出網格狀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，仍然可以實現較為優異的電化學性能，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。
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，發表學術論文60余篇，相關成果發表在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、優秀學者、增材制造研究所所長，增材制造學科帶頭人，連續兩年入選斯坦福-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優秀博士論文獎、中國產學研合作創新獎、中國硅酸鹽學會特陶分會優青獎、廣東省特支計劃高層次人才，廣東省高校優秀青年創新人才。指導學生獲中國國際互聯網+大學生創新創業大賽廣東省銀獎2項和國家銅獎1項。研究成果獲《科技日報》、《人民網》、《新華網》、3DPRINT、3D Printing Industry等國內外媒體報道。
厚電極具有活性材料負載量高、比能量高等優勢，但如何解決厚電極中鋰離子的擴散速率是發揮厚電極優勢的關鍵。因此，創新電極的結構設計，優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，在厚電極中實現了較為優異的電化學性能。
研究人員首先分析了傳統的平面電極和網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，優化打印工藝，使用低溫直寫3D打印技術制備出網格狀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，仍然可以實現較為優異的電化學性能，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) 網格狀多孔三維電極中的鋰離子擴散路徑; (f) ~ (h) 網格狀多孔三維電極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的關系; (f) ~ (g) SEM微觀形貌; (h) 電極壓縮強度。
圖4 3D打印網格狀多孔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
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，發表學術論文60余篇，相關成果發表在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。
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優秀博士論文獎、中國產學研合作創新獎、中國硅酸鹽學會特陶分會優青獎、廣東省特支計劃高層次人才，廣東省高校優秀青年創新人才。指導學生獲中國國際互聯網+大學生創新創業大賽廣東省銀獎2項和國家銅獎1項。研究成果獲《科技日報》、《人民網》、《新華網》、3DPRINT、3D Printing Industry等國內外媒體報道。
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