研究人员为电池定制3D打印多孔阳极石墨烯/聚乳酸

来源： 增材之光

长效可充电锂离子（Li-ion）电池具有高能量密度和低自放电性能，并且正在探索进入航空航天和军事应用等领域。随着能源消耗需求的增加，同时降低我们使用化石燃料的压力，我们的社会正在努力寻找制造储能设备的创新方法。

在过去，3D打印技术被用于制造锂离子电池的多孔电极，甚至是电池本身。曼彻斯特城市大学、中国中南大学和切斯特大学的一组研究人员最近发表了一篇题为“新一代增材制造：可调节石墨烯/聚乳酸（酸）丝材”的论文，该论文允许制造3D可打印多孔阳极，以便应用于锂离子电池中，“关于他们在3D打印锂离子电池中应用锂离子阳极的工作，使用定制的石墨烯/ 聚乳酸丝材制成，可以轻松定制石墨烯含量。

摘要中写道：“我们证明，20 wt.%的石墨烯含量具有足够的导电性和关键、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印独立阳极（3DAs）；简化了锂离子电池的组件，无需使用铜集电器。3DAs具有物理化学和电化学特征，具有足够的导电性，用于电化学研究。关键的是，研究发现如果3DAs用于锂离子电池，其比容量非常低，但通过使用化学预处理可以显著提高。这种处理引起孔隙率增加，这导致比容量（电流密度为40 mA g-1时约为500 mAh g-1）增加200倍（在阳极稳定之后）。这项工作显着增强了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存储设备领域，证明可以实现有用的3D可打印电池。”

许多研究人员正在研究新型纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，用于3D打印新型储能设备，如锂基电池，因为该技术可用于创建具有大表面积的结构，这在能源能力方面很有帮助。这个特殊的团队使用FDM（基于挤出）技术，从定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸丝材中制造出锂离子阳极。他们还进行了电化学和物理化学表征，以确保石墨烯含量得到优化，以控制其3D打印独立阳极或3DAs的导电性、电化学活性和3D可打印性。

研究人员表示，“这种方法简化了锂离子电池的组件，而不需使用铜集电器。”

该团队使用Autodesk Fusion 360为这项工作创建了3D打印设计，一个直径为1.0毫米的圆形圆盘电极，在190°C下使用直接驱动挤出机在ZMorph 3D打印机上打印。3D可打印石墨烯/ 聚乳酸丝材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯纳米片制成，其使用热重分析（TGA）进行验证。

石墨烯/ 聚乳酸粉末，各自的丝材和3DAs的物理化学表征和光学图像。A：热重分析，B：电阻率与石墨烯含量，C：20 wt. %的透射电镜分析（TEM）分析。D： 3DAs的3D打印工艺（用于电化学表征），E：拉曼（插图）和3DA的拉曼图谱。

“简而言之，含20 wt. % 以上的石墨烯/ 聚乳酸丝材的制造在均匀性、可打印性和结构完整性方面是非常脆且高度不可生产；另外，石墨烯重量百分比低于10%的丝材没有提供足够的渗透性（即高电阻率）”。研究人员写道。

“因此，我们发现15–20%是最佳重量。当我们考虑使用石墨烯纳米片时，电阻率下降，电导率增加。”

在优化了石墨烯含量之后，该团队将20 wt.%石墨烯丝材用于3D打印测试阳极，以获得更多的物理化学表征。他们还完成了对阳极的拉曼分析，以及XPS分析；后者涉及“在C 1s和O 1s光电子峰上”进行高分辨率扫描，这种扫描形状宽广而奇特。分分析表明，与石墨烯/聚乳酸样品相比，聚乳酸有两种形式，大致相同的水平。

“总而言之，XPS分析显示，石墨烯/ 聚乳酸丝材内的大量石墨烯完全分散在聚乳酸中，在整个样品中形成导电通路，从而证实了上述电化学和物理化学特征。”研究人员写道。

典型石墨烯3DA与氢氧化钠（NaOH）前后化学处理的SEM图像显示其各自的充电、放电曲线。用于测试阳极的装置比传统的电池更简单，因为不需要铜集电器。

最后，该团队评估了锂离子电池设置中3DAs的能量能力，发现石墨烯3DAs具有相对较低的电化学响应。为了进一步了解，他们分析了石墨烯3DA的形貌，表明其表面没有良好的孔隙度来润湿电解质。通过向3DAs引入简单的化学预处理氢氧化钠（NaOH）达24小时，研究人员能够诱导孔隙度并克服这一限制。

为了进一步了解，他们使用X射线衍射分析了这种预处理前后石墨烯/ PLA的晶体结构，解释了SEM图像和XRD图谱显示材料没有失去其3D结构，“但现在提供了良好的电化行为/性能。”

“我们建议将石墨烯纳入3DA中，其电化学行为主要类似于石墨烯，并且复合材料中增加的石墨烯纳米片的表面积提供了改进的能量输出。”研究人员说，“本文的结果通过使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸丝材增强了增材制造/3D打印石墨烯基储能装置的领域，并且对3D打印阳极进行简单的化学处理，可使其内部增加200倍比容量（阳极稳定后）。”

该团队确定3D打印的独立式阳极具有20 wt.%石墨烯含量具有最有效的3D可打印性和导电性。

“这里给出的结果显著增强了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存储设备领域，证明可以实现有用的3D打印电池。”该论文总结道。

来源： 增材之光