研究人員為電池定制3D打印多孔陽極石墨烯/聚乳酸

來源： 增材之光

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，并且正在探索進入航空航天和軍事應(yīng)用等領(lǐng)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制造儲能設(shè)備的創(chuàng)新方法。

在過去，3D打印技術(shù)被用于制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(xué)、中國中南大學(xué)和切斯特大學(xué)的一組研究人員最近發(fā)表了一篇題為“新一代增材制造：可調(diào)節(jié)石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許制造3D可打印多孔陽極，以便應(yīng)用于鋰離子電池中，“關(guān)于他們在3D打印鋰離子電池中應(yīng)用鋰離子陽極的工作，使用定制的石墨烯/ 聚乳酸絲材制成，可以輕松定制石墨烯含量。

摘要中寫道：“我們證明，20 wt.%的石墨烯含量具有足夠的導(dǎo)電性和關(guān)鍵、有效的3D打印能力，可快速制造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(xué)和電化學(xué)特征，具有足夠的導(dǎo)電性，用于電化學(xué)研究。關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)如果3DAs用于鋰離子電池，其比容量非常低，但通過使用化學(xué)預(yù)處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導(dǎo)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(wěn)定之后）。這項工作顯著增強了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)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，用于3D打印新型儲能設(shè)備，如鋰基電池，因為該技術(shù)可用于創(chuàng)建具有大表面積的結(jié)構(gòu)，這在能源能力方面很有幫助。這個特殊的團隊使用FDM（基于擠出）技術(shù)，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽極。他們還進行了電化學(xué)和物理化學(xué)表征，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導(dǎo)電性、電化學(xué)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(chuàng)建了3D打印設(shè)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(qū)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.％的石墨烯納米片制成，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(xué)表征和光學(xué)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（用于電化學(xué)表征），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/ 聚乳酸絲材的制造在均勻性、可打印性和結(jié)構(gòu)完整性方面是非常脆且高度不可生產(chǎn)；另外，石墨烯重量百分比低于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(fā)現(xiàn)15–20%是最佳重量。當(dāng)我們考慮使用石墨烯納米片時，電阻率下降，電導(dǎo)率增加。”

在優(yōu)化了石墨烯含量之后，該團隊將20 wt.%石墨烯絲材用于3D打印測試陽極，以獲得更多的物理化學(xué)表征。他們還完成了對陽極的拉曼分析，以及XPS分析；后者涉及“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(nèi)的大量石墨烯完全分散在聚乳酸中，在整個樣品中形成導(dǎo)電通路，從而證實了上述電化學(xué)和物理化學(xué)特征�！毖芯咳藛T寫道。

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

最后，該團隊評估了鋰離子電池設(shè)置中3DAs的能量能力，發(fā)現(xiàn)石墨烯3DAs具有相對較低的電化學(xué)響應(yīng)。為了進一步了解，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濕電解質(zhì)。通過向3DAs引入簡單的化學(xué)預(yù)處理氫氧化鈉（NaOH）達24小時，研究人員能夠誘導(dǎo)孔隙度并克服這一限制。

為了進一步了解，他們使用X射線衍射分析了這種預(yù)處理前后石墨烯/ PLA的晶體結(jié)構(gòu)，解釋了SEM圖像和XRD圖譜顯示材料沒有失去其3D結(jié)構(gòu)，“但現(xiàn)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(xué)行為主要類似于石墨烯，并且復(fù)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�！毖芯咳藛T說，“本文的結(jié)果通過使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸絲材增強了增材制造/3D打印石墨烯基儲能裝置的領(lǐng)域，并且對3D打印陽極進行簡單的化學(xué)處理，可使其內(nèi)部增加200倍比容量（陽極穩(wěn)定后）�！�

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(dǎo)電性。

“這里給出的結(jié)果顯著增強了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D打印電池�！痹撜撐目偨Y(jié)道。

來源： 增材之光