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通过3D打印来制备高性能锂金属微电池

2019-10-30 11:34:33浏览:2评论:0来源:中国机械社区   
核心摘要:过3D打印技术制作电池具有独特的优势,例如产品小型化、可自主成型和可控制宏微观结构等。然而,由于金属锂的打印比较困难,3D打印金属锂电池(LMBs)还没有研制成功。美国西北大学的Cao博士团队首次通过使用纤维素纳米纤维(CNF)的3D打印技

过3D打印技术制作电池具有独特的优势,例如产品小型化、可自主成型和可控制宏微观结构等。然而,由于金属锂的打印比较困难,3D打印金属锂电池(LMBs)还没有研制成功。

美国西北大学的Cao博士团队首次通过使用纤维素纳米纤维(CNF)的3D打印技术制造出高性能的锂金属微电池(LMB),该纤维是地球上最丰富的生物聚合物之一,如图1。CNF水溶液具有天然独特的剪切稀化特性,是3D打印油墨的理想候选材料。首先,当CNF溶解在水中时,每个纤维素分子上丰富的羟基(每个重复单元6个)在单个纤维之间以及与水分子之间形成强氢键。这种强氢键造成了高保水率(高达98%),并赋予油墨独特的粘弹性性能;其次,由于CNF具有极高的负zeta电位(≈60mv),它可以作为表面活性剂帮助分散水溶液中的其他材料。由于这两个特性,CNF可以用作增粘剂,优化其他材料的印刷性能。并且纳米纤维素具有较高的杨氏模量,约为145-150GPa,这有利于在去除作为支架材料的水后保持结构的完整性。



图1纤维素纳米纤维打印锂离子支架示意图
CNF凝胶独特的剪切稀化特性使得打印LiFePO4电极和稳定的锂离子嵌入支架成为可能,该团队还对CNF凝胶的印刷性能进行了研究,如图2。此外,CNF支架的多孔结构也有助于提高离子的可到达性,降低锂阳极的局部电流密度,所以由于锂离子不均匀地嵌入/脱离所造成的的枝晶也会被抑制。该团队将第一原理密度函数理论与相场模型相结合,进行了多尺度计算,结果表明多孔结构具有更均匀的锂沉积。因此,使用3D打印锂阳极和LiFePO4阴极构建的全电池在10C的充放电速率下显示出80mAhg−1的高容量,即使在3000次循环后,容量保持率仍为85%。




图23D打印纤维素纳米纤维框架
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