通過3D打印納米纖維素來制備高性能鋰金屬微電池

供稿人:李堅、魯中良

過3D打印技術(shù)制作電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如產(chǎn)品小型化、可自主成型和可控制宏微觀結(jié)構(gòu)等。然而，由于金屬鋰的打印比較困難，3D打印金屬鋰電池（LMBs）還沒有研制成功。

美國西北大學(xué)的Cao博士團(tuán)隊首次通過使用纖維素納米纖維（CNF）的3D打印技術(shù)制造出高性能的鋰金屬微電池（LMB），該纖維是地球上最豐富的生物聚合物之一，如圖1。CNF水溶液具有天然獨(dú)特的剪切稀化特性，是3D打印油墨的理想候選材料。首先，當(dāng)CNF溶解在水中時，每個纖維素分子上豐富的羥基（每個重復(fù)單元6個）在單個纖維之間以及與水分子之間形成強(qiáng)氫鍵。這種強(qiáng)氫鍵造成了高保水率（高達(dá)98%），并賦予油墨獨(dú)特的粘彈性性能；其次，由于CNF具有極高的負(fù)zeta電位（≈60mv），它可以作為表面活性劑幫助分散水溶液中的其他材料。由于這兩個特性，CNF可以用作增粘劑，優(yōu)化其他材料的印刷性能。并且納米纖維素具有較高的楊氏模量,約為145-150GPa，這有利于在去除作為支架材料的水后保持結(jié)構(gòu)的完整性。

圖1 纖維素納米纖維打印鋰離子支架示意圖

CNF凝膠獨(dú)特的剪切稀化特性使得打印LiFePO4電極和穩(wěn)定的鋰離子嵌入支架成為可能，該團(tuán)隊還對CNF凝膠的印刷性能進(jìn)行了研究，如圖2。此外，CNF支架的多孔結(jié)構(gòu)也有助于提高離子的可到達(dá)性，降低鋰陽極的局部電流密度，所以由于鋰離子不均勻地嵌入/脫離所造成的的枝晶也會被抑制。該團(tuán)隊將第一原理密度函數(shù)理論與相場模型相結(jié)合，進(jìn)行了多尺度計算，結(jié)果表明多孔結(jié)構(gòu)具有更均勻的鋰沉積。因此，使用3D打印鋰陽極和LiFePO4陰極構(gòu)建的全電池在10C的充放電速率下顯示出80mAhg−1的高容量，即使在3000次循環(huán)后，容量保持率仍為85%。

圖2 3D打印纖維素納米纖維框架

參考文獻(xiàn)：
Cao D , Xing Y , Tantratian K , et al. 3D Printed High-Performance Lithium Metal Microbatteries Enabled by Nanocellulose[J]. Advanced Materials, 2019.

供稿人:李堅、魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室