通过3D打印纳米纤维素来制备高性能锂金属微电池

供稿人:李坚、鲁中良

过3D打印技术制作电池具有独特的优势，例如产品小型化、可自主成型和可控制宏微观结构等。然而，由于金属锂的打印比较困难，3D打印金属锂电池（LMBs）还没有研制成功。

美国西北大学的Cao博士团队首次通过使用纤维素纳米纤维（CNF）的3D打印技术制造出高性能的锂金属微电池（LMB），该纤维是地球上最丰富的生物聚合物之一，如图1。CNF水溶液具有天然独特的剪切稀化特性，是3D打印油墨的理想候选材料。首先，当CNF溶解在水中时，每个纤维素分子上丰富的羟基（每个重复单元6个）在单个纤维之间以及与水分子之间形成强氢键。这种强氢键造成了高保水率（高达98%），并赋予油墨独特的粘弹性性能；其次，由于CNF具有极高的负zeta电位（≈60mv），它可以作为表面活性剂帮助分散水溶液中的其他材料。由于这两个特性，CNF可以用作增粘剂，优化其他材料的印刷性能。并且纳米纤维素具有较高的杨氏模量,约为145-150GPa，这有利于在去除作为支架材料的水后保持结构的完整性。

图1 纤维素纳米纤维打印锂离子支架示意图

CNF凝胶独特的剪切稀化特性使得打印LiFePO4电极和稳定的锂离子嵌入支架成为可能，该团队还对CNF凝胶的印刷性能进行了研究，如图2。此外，CNF支架的多孔结构也有助于提高离子的可到达性，降低锂阳极的局部电流密度，所以由于锂离子不均匀地嵌入/脱离所造成的的枝晶也会被抑制。该团队将第一原理密度函数理论与相场模型相结合，进行了多尺度计算，结果表明多孔结构具有更均匀的锂沉积。因此，使用3D打印锂阳极和LiFePO4阴极构建的全电池在10C的充放电速率下显示出80mAhg−1的高容量，即使在3000次循环后，容量保持率仍为85%。

图2 3D打印纤维素纳米纤维框架

参考文献：
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:李坚、鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室