3D打印获取“长续航”锂硫电池，可推广至其他储能领域

来源：中国科学报

无人机、电动汽车、电动飞机等实现“长续航”，一直是人们热切期盼的事。然而，由于缺乏具有稳定“储能”与“供电”能力的电源系统，这一期待总是会落空。值得欣慰的是，最近传来了好消息——利用3D打印技术或可助力解决“长续航”面临的瓶颈问题。

日前，苏州大学能源学院教授孙靖宇与中国科学院院士、北京大学教授刘忠范团队构建出3D打印硫正极，并获得了具有高倍率性能和高面容量的锂硫电池。相关技术还可推广到其他新兴的储能设备，为发展新型、高效、规模化的电极构筑方法提供重要借鉴。

相关研究成果近日发表在国际能源领域高水平期刊《纳米能源》杂志上。

3D打印技术“加持”
3D打印技术自诞生以来，已经应用到医疗、军工、航天、汽车、电子等各个领域。此外，其在锂离子电池、锂氧电池、锌离子电池等储能体系中也得到了初步应用。刘忠范和孙靖宇团队长期关注并开展烯碳能源材料及应用技术研究。近年来，他们从3D打印技术中找到了新的突破思路和启示。

孙靖宇介绍，3D打印技术具有诸多优势，如有助于构建具有多级孔结构的自支撑无集流体电极，并利于离子和电子的快速传输。3D打印技术通过控制打印层数实现控制电极材料负载量，突破了常规涂覆法制备电极的厚度限制，从而可获得具有高单位面容量的电池系统。在实际应用方面，可满足定制化和规模化储能器件的构筑需求。

“然而，面向能量存储应用领域的3D打印技术目前仍存在许多关键瓶颈，比如电极的打印精度对设备配置提出更高的要求、打印墨汁的制备工艺亟待系统探索，以及缺乏规模化印刷装备等。”孙靖宇说。研究人员借助3D打印技术，方便、高效、便捷地构筑了高负载硫正极。该架构具有经过优化的离子/电子传输通道和充足的孔隙率，有利于对多硫化物进行高效管理。

为了更好地抑制上述所提到的“穿梭效应”，研究人员对打印墨水也有着独特的设计。孙靖宇介绍，近年来，业界对金属硼化物构建高性能锂硫电池具有浓厚兴趣。其中，具有类似性质的金属性六硼化镧（LaB6）作为一种低成本且可持续利用的化合物，已在诸多领域得到广泛使用。

基于此，他们设计了包含硫/碳和LaB6电催化剂的混合墨汁，用于打印高性能的硫正极。金属性LaB6电催化剂可以均匀地分布在3D打印的架构内，自发地确保有丰富的活性位点用于多硫化物的固定和转化，从而实现高效率的放电或充电过程。

“这对多硫化物的管控起到了积极作用，更加有效地抑制‘穿梭效应’，从而获得具有优异性能的锂硫电池体系。同时，也为设计锂硫电池的正极结构和提升硫正极的反应动力学提供了新的思路与策略。”刘忠范表示，该研究工作首次将高效电催化剂引入可打印墨汁中构建3D打印硫正极，获得了具有高倍率性能和面容量的锂硫电池。

迈向实用化仍有“屏障”
近年来，新技术、新方法的不断革新，科技成果的加速转化，推动着高性能锂硫电池的实用化发展。陈剑团队与依托中国科学院大连化学与物理研究所科技成果孵化的中科派思储能技术有限公司合作生产的锂硫电池组，目前已经在大翼展无人机、高速无人机上试飞成功。

“这一锂硫电池的续航时间是同样重量锂离子电池的2.5倍。”陈剑说，未来需要进一步提高电池的循环次数，而要实现这一目标，还需要解决“穿梭效应”问题。“在走向实用化和产业化进程中，锂硫电极方面还存在诸多关键问题需要解决。开发3D打印自支撑结构的硫正极值得关注。”刘忠范表示。

孙靖宇补充道，除了对高载量硫电极的规模化制备提出要求之外，还需要考虑三个方面的问题。

首先是正极碳含量。孙靖宇指出，为了解决硫的绝缘性问题，通常需要添加较多填量的导电碳来平衡，从而造成锂硫电池体积能量密度低。因此，为了获得高体积能量密度的锂硫电池，需要提高硫正极的振实密度及采用少碳甚至无碳硫宿主。

其次是电解液用量。“由于硫正极的多孔性导致需要消耗大量电解液，为了获得高能量密度的锂硫电池，需要通过优化正极的孔结构，降低电解液的用量。”孙靖宇说。

此外，金属锂负极也是关键问题之一，即在规模化锂硫体系中，须采取抑制其枝晶生长策略等，保证锂负极的安全性。

“未来，作为该研究的延伸，我们希望发展真正低碳乃至无碳、贫电解液、高载硫的锂硫电池系统。”孙靖宇说。