供稿人:李堅(jiān) 魯中良 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-11-21
具有超高容量的鋰離子電池的研究是目前較為熱門的研究?jī)?nèi)容。目前常用的方式是通過增加電池電極的厚度來增加面積容量。然而，由于厚電極電解液滲透不完全、機(jī)械性能差、電荷和離子傳輸速度慢等一系列問題，導(dǎo)致這些厚電極離實(shí)際還有很大距離。因此，天津大學(xué)Sun Chuang等人提出了一種新的方法，通過3D打印將含有銀納米線（AgNWs）、氧化石墨烯和Li4Ti5O12的混合功能凝膠態(tài)墨水定向沉積，構(gòu)成高電導(dǎo)率的分層結(jié)構(gòu)（圖1）。其中高導(dǎo)電性的AgNW網(wǎng)絡(luò)、高比表面積的三維石墨烯框架和互連互通的分層多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)合，不僅使厚電極具有較大的電荷和離子存儲(chǔ)和傳輸性能，還可減輕充放電過程中活性材料體積變化引起的內(nèi)應(yīng)力。
圖1 （a）3D打印電極過程示意圖。（b）GO-AgNWs-LTO墨水光鏡圖。（c）不同厚度rGO-AgNWs-LTO電極冷凍干燥后的結(jié)構(gòu)圖。（d）3D打印結(jié)構(gòu)側(cè)面的掃描電鏡圖，在該圖中，可以觀察到3D打印的細(xì)絲緊密地堆疊在一起，具有良好的層間均勻性
作者分別分析了rGO-AgNWs-LTO和rGO-LTO電極。掃描電鏡圖片顯示，除了細(xì)絲相交形成的大孔隙外（圖2a），通過冷凍干燥程序，在長(zhǎng)絲表面產(chǎn)生了大量孔徑從幾微米到幾十微米不等的孔（圖2b）。這些微米大小的孔與開放的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有助于液體電解質(zhì)滲透到內(nèi)部活性部位。從橫截面圖像（圖2c、d）可以看出，LTO納米粒子緊密地粘附在連續(xù)的3D網(wǎng)絡(luò)上。這種連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有助于電子在系統(tǒng)中的儲(chǔ)存和傳輸。元素能譜圖驗(yàn)證了LTO納米顆粒均勻分散在AgNW-rGO網(wǎng)絡(luò)中（圖2e-h）。
圖2 （a）3D打印rGO-AgNWs-LTO電極結(jié)構(gòu)整體圖、（b）放大的局部圖、（c）橫截面圖和（d）放大的橫截面圖。3D打印rGO-AgNWs-LTO電極的（e）C；（f）O；（g）Ti；和（h）Ag元素的能譜圖
電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，通過3D打印制作的鋰離子電池厚電極在10C下具有121 mAh g?1的速率能力，此外還具有高達(dá)4.74 mAh cm?2的高面積容量（電流密度為1.06 mA cm?2）和穩(wěn)定的循環(huán)性能（100次循環(huán)后容量保持約95.5%）。這些優(yōu)異的性能數(shù)據(jù)表明通過3D打印技術(shù)制備厚電極的可能性，為下一代高性能儲(chǔ)能裝置的制作提供新的思路。