研究人員為電池定製3D打印多孔陽極石墨烯/聚乳酸

3D打印技術化學打印機大學設計戴爾XPS 能源 Autodesk 南極熊3d打印網 2019-04-19

長效可充電鋰離子（Li-ion）電池具有高能量密度和低自放電性能，並且正在探索進入航空航天和軍事應用等領域。隨著能源消耗需求的增加，同時降低我們使用化石燃料的壓力，我們的社會正在努力尋找製造儲能設備的創新方法。

在過去，3D打印技術被用於製造鋰離子電池的多孔電極，甚至是電池本身。曼徹斯特城市大學、中國中南大學和切斯特大學的一組研究人員最近發表了一篇題為“新一代增材製造：可調節石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許製造3D可打印多孔陽極，以便應用於鋰離子電池中，“關於他們在3D打印鋰離子電池中應用鋰離子陽極的工作，使用定製的石墨烯/ 聚乳酸絲材製成，可以輕鬆定製石墨烯含量。

摘要中寫道：“我們證明，20 wt.%的石墨烯含量具有足夠的導電性和關鍵、有效的3D打印能力，可快速製造3D打印獨立陽極（3DAs）；簡化了鋰離子電池的組件，無需使用銅集電器。3DAs具有物理化學和電化學特徵，具有足夠的導電性，用於電化學研究。關鍵的是，研究發現如果3DAs用於鋰離子電池，其比容量非常低，但通過使用化學預處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導致比容量（電流密度為40 mA g-1時約為500 mAh g-1）增加200倍（在陽極穩定之後）。這項工作顯著增強了增材製造/ 3D打印石墨烯基能量存儲設備領域，證明可以實現有用的3D可打印電池。”

許多研究人員正在研究新型納米材料，如碳納米管和石墨烯，用於3D打印新型儲能設備，如鋰基電池，因為該技術可用於創建具有大表面積的結構，這在能源能力方面很有幫助。這個特殊的團隊使用FDM（基於擠出）技術，從定製的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中製造出鋰離子陽極。他們還進行了電化學和物理化學表徵，以確保石墨烯含量得到優化，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導電性、電化學活性和3D可打印性。

研究人員表示，“這種方法簡化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器。”

該團隊使用Autodesk Fusion 360為這項工作創建了3D打印設計，一個直徑為1.0毫米的圓形圓盤電極，在190°C下使用直接驅動擠出機在ZMorph 3D打印機上打印。3D可打印石墨烯/ 聚乳酸絲材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯納米片製成，其使用熱重分析（TGA）進行驗證。

石墨烯/ 聚乳酸粉末，各自的絲材和3DAs的物理化學表徵和光學圖像。A：熱重分析，B：電阻率與石墨烯含量，C：20 wt. %的透射電鏡分析（TEM）分析。D： 3DAs的3D打印工藝（用於電化學表徵），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜。

“簡而言之，含20 wt. % 以上的石墨烯/ 聚乳酸絲材的製造在均勻性、可打印性和結構完整性方面是非常脆且高度不可生產；另外，石墨烯重量百分比低於10%的絲材沒有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫道。

“因此，我們發現15–20%是最佳重量。當我們考慮使用石墨烯納米片時，電阻率下降，電導率增加。”

在優化了石墨烯含量之後，該團隊將20 wt.%石墨烯絲材用於3D打印測試陽極，以獲得更多的物理化學表徵。他們還完成了對陽極的拉曼分析，以及XPS分析；後者涉及“在C 1s和O 1s光電子峰上”進行高分辨率掃描，這種掃描形狀寬廣而奇特。分分析表明，與石墨烯/聚乳酸樣品相比，聚乳酸有兩種形式，大致相同的水平。

“總而言之，XPS分析顯示，石墨烯/ 聚乳酸絲材內的大量石墨烯完全分散在聚乳酸中，在整個樣品中形成導電通路，從而證實了上述電化學和物理化學特徵。”研究人員寫道。

典型石墨烯3DA與氫氧化鈉（NaOH）前後化學處理的SEM圖像顯示其各自的充電、放電曲線。用於測試陽極的裝置比傳統的電池更簡單，因為不需要銅集電器。

最後，該團隊評估了鋰離子電池設置中3DAs的能量能力，發現石墨烯3DAs具有相對較低的電化學響應。為了進一步瞭解，他們分析了石墨烯3DA的形貌，表明其表面沒有良好的孔隙度來潤溼電解質。通過向3DAs引入簡單的化學預處理氫氧化鈉（NaOH）達24小時，研究人員能夠誘導孔隙度並克服這一限制。

為了進一步瞭解，他們使用X射線衍射分析了這種預處理前後石墨烯/ PLA的晶體結構，解釋了SEM圖像和XRD圖譜顯示材料沒有失去其3D結構，“但現在提供了良好的電化行為/性能。”

“我們建議將石墨烯納入3DA中，其電化學行為主要類似於石墨烯，並且複合材料中增加的石墨烯納米片的表面積提供了改進的能量輸出。”研究人員說，“本文的結果通過使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸絲材增強了增材製造/3D打印石墨烯基儲能裝置的領域，並且對3D打印陽極進行簡單的化學處理，可使其內部增加200倍比容量（陽極穩定後）。”

該團隊確定3D打印的獨立式陽極具有20 wt.%石墨烯含量具有最有效的3D可打印性和導電性。

“這裡給出的結果顯著增強了增材製造/ 3D打印石墨烯基能量存儲設備領域，證明可以實現有用的3D打印電池。”該論文總結道。

來源：增材之光