研究人员利用熔丝制造和烧结法制造全陶瓷电极 可用于锂离子电池

锂离子电池具有功率强、能量密度高和使用寿命长等优势。据外媒报道，一项新研究探讨锂离子电池在3D打印中的应用。

（图片来源：sciencedirect）

对大容量电池系统的需求，如电动汽车中使用的系统，现在可以通过在电池模块中加入数百或数千个普通电芯来满足。在这种情况下，需要解决空间利用问题。管理此类电池存储，挑战在于精确控制电芯能量和电池状态。为了解决这些问题，可以考虑两种方法：改善所涉及材料的电化学特性，或者优化电池和设备的结构。就后者而言，使用多功能电池，除了电气用途，还具有结构用途，旨在降低整个系统的体积和重量。
事实上，采用具有特定形状的电池，以适应电子设备内部的特定位置，可能是有用的方法。通过优化活性材料数量，提高整个系统的能量密度。近十年来，已经开发出了各种各样的解决方案，通过开发具有更大表面积的电极，如带交叉形电极的锂离子电池，提高设备的功率密度和能量。然而，大多数商用电芯类型的几何形状范围非常有限，限制了通过改变电池存储实现适应性。

锂离子电池熔丝的制备
与传统的生产工艺相比，3D打印的功率设备及其元件，在这一领域具有明显的优势，可以开发具有高表面积的电极，或制造具有适合特定产品设计的几何形状设备，并优化工艺中活性材料的数量。熔丝制造 (FFF) 是一种可行且低成本的锂离子电池制造方法，在不同技术中可用于制造具有定制几何结构的锂离子电池。比起需要使用有机粘结剂的标准复合电极，全陶瓷电极具有更高的能量密度，因此，将陶瓷FFF应用于电极领域，可能是一项有价值的技术。
此项研究详细介绍了通过FFF 3D打印复合长丝和烧结法，制备全陶瓷LTO负极和LCO电极，并对打印电极的微观和宏观结构、电导率、相稳定性和电化学性能进行了详细的分析。通过这种方法制备的3D打印LTO和LCO电极，具有与单轴压制陶瓷颗粒相同的电导率，分别显示168和129mAh g-1，为理论容量的96%和94%。
无论是在个人还是工业层面上，熔丝制造都是应用最广泛的增材制造创新方法，因其具有易用性、大规模制造能力，可以利用多种商用材料、低成本组件和3D打印设备。其他一些常见方法，如直写成型技术DIW或光聚合（vat polymerization）工艺，能够提供更好的分辨率，但存储和管理墨水和树脂原材料更加困难。可能出现退化和稳定问题，特别是在使用浆料的情况下，因为固体载荷需要凝聚/沉淀，乐观的结果是采用中间重构过程。

FFF应用方法
另一方面，FFF采用固体热塑性长丝，在使用前可以真空保存。此外，与DIW或光聚合方法不同，在这些长丝上可以直接加入固体填料/孔前体，而且在3D打印过程中不会产生任何实质性的改变。FFF技术也是多材料打印机领域最复杂的系统之一。
最近商业领域引入石墨烯/PLA复合长丝等许多材料，并通过一系列研究利用这些材料来制造石墨烯基锂离子电池负极，然而可用于电化学装置的商用FFF原料长丝有限。DIW，即直写成型技术，在3D打印过程中存在重大问题，比如以墨水为原材料，存在长期储存问题，而且比FFF中使用的长丝更难管理。这项研究推进了创建FFF 3D打印锂离子电池，这些电池具有通常与DIW有关的微特征。