研究人員利用熔絲制造和燒結法制造全陶瓷電極 可用于鋰離子電池
時間:2021-11-27 17:45來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：sciencedirect）
對大容量電池系統的需求，如電動汽車中使用的系統，現在可以通過在電池模塊中加入數百或數千個普通電芯來滿足。在這種情況下，需要解決空間利用問題。管理此類電池存儲，挑戰在于精確控制電芯能量和電池狀態。為了解決這些問題，可以考慮兩種方法：改善所涉及材料的電化學特性，或者優化電池和設備的結構。就后者而言，使用多功能電池，除了電氣用途，還具有結構用途，旨在降低整個系統的體積和重量。
事實上，采用具有特定形狀的電池，以適應電子設備內部的特定位置，可能是有用的方法。通過優化活性材料數量，提高整個系統的能量密度。近十年來，已經開發出了各種各樣的解決方案，通過開發具有更大表面積的電極，如帶交叉形電極的鋰離子電池，提高設備的功率密度和能量。然而，大多數商用電芯類型的幾何形狀范圍非常有限，限制了通過改變電池存儲實現適應性。
鋰離子電池熔絲的制備
與傳統的生產工藝相比，3D打印的功率設備及其元件，在這一領域具有明顯的優勢，可以開發具有高表面積的電極，或制造具有適合特定產品設計的幾何形狀設備，并優化工藝中活性材料的數量。熔絲制造 (FFF) 是一種可行且低成本的鋰離子電池制造方法，在不同技術中可用于制造具有定制幾何結構的鋰離子電池。比起需要使用有機粘結劑的標準復合電極，全陶瓷電極具有更高的能量密度，因此，將陶瓷FFF應用于電極領域，可能是一項有價值的技術。
此項研究詳細介紹了通過FFF 3D打印復合長絲和燒結法，制備全陶瓷LTO負極和LCO電極，并對打印電極的微觀和宏觀結構、電導率、相穩定性和電化學性能進行了詳細的分析。通過這種方法制備的3D打印LTO和LCO電極，具有與單軸壓制陶瓷顆粒相同的電導率，分別顯示168和129mAh g-1，為理論容量的96%和94%。
無論是在個人還是工業層面上，熔絲制造都是應用最廣泛的增材制造創新方法，因其具有易用性、大規模制造能力，可以利用多種商用材料、低成本組件和3D打印設備。其他一些常見方法，如直寫成型技術DIW或光聚合（vat polymerization）工藝，能夠提供更好的分辨率，但存儲和管理墨水和樹脂原材料更加困難。可能出現退化和穩定問題，特別是在使用漿料的情況下，因為固體載荷需要凝聚/沉淀，樂觀的結果是采用中間重構過程。
FFF應用方法
另一方面，FFF采用固體熱塑性長絲，在使用前可以真空保存。此外，與DIW或光聚合方法不同，在這些長絲上可以直接加入固體填料/孔前體，而且在3D打印過程中不會產生任何實質性的改變。FFF技術也是多材料打印機領域最復雜的系統之一。
最近商業領域引入石墨烯/PLA復合長絲等許多材料，并通過一系列研究利用這些材料來制造石墨烯基鋰離子電池負極，然而可用于電化學裝置的商用FFF原料長絲有限。DIW，即直寫成型技術，在3D打印過程中存在重大問題，比如以墨水為原材料，存在長期儲存問題，而且比FFF中使用的長絲更難管理。這項研究推進了創建FFF 3D打印鋰離子電池，這些電池具有通常與DIW有關的微特征。
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