中科院大连化物所研发出全3D打印锂金属电池 

3D打印技术 /[科研]
发布时间: 2022-11-18 10:26
近日,由中国科学院大连化学物理研究所吴中帅教授领导的研究团队开发了具有高能量密度、长寿命的全3D打印锂金属电池,这项研究发表在《储能材料》上。
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这款锂金属电池采用多孔导电Ti3C2Tx MXene骨架作为高容量、无枝晶的锂金属负极,采用多维导电LiFePO 4 (LFP) 晶格作为超厚正极。

锂金属电池被认为是超越当前最先进的锂离子电池的下一代高能量电池。然而,由于其存在不可控的锂枝晶、死锂,以及充放电过程锂金属体积膨胀等问题,导致锂金属循环性能差,安全性能低,限制了锂金属负极在高比能锂金属电池中的实际应用。

此外,传统的刮涂法制备出的正极活性物质载量有限(20mg/cm2),面积容量往往低于4mAh/cm2,使得锂金属电池的面积能量密度较低。因此,如何同时获得稳定的无枝晶锂负极和匹配的高载量正极,以实现长寿命和高能量密度的锂金属电池,仍面临挑战。
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在这项研究中,研究人员报告了一种用于构建超高性能锂金属电池的全3D打印方法,通过3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉积的锂金属负极与超厚磷酸铁锂框架正极。

研究发现,MXene导电骨架的亲锂特性能够调节局部电流分布,均匀化锂成核与沉积,形成均匀的富LiF固体电解质界面层和稳定的锂/电解质界面,实现了高容量(30mAh/cm2)、高稳定(>4800h循环)且无枝晶的锂金属负极。3D打印磷酸铁锂电极(载量171mg/cm2)具有三维多孔导电框架结构,促进了电子传输动力学速率,降低了厚电极中的离子传输距离,提高了活性材料的利用率,从而有效地提高了锂金属电池的电化学性能。

所匹配的锂金属全电池(锂负极过量50%)表现出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度,超过了迄今为止报道的所有3D打印电池。

据资源库的了解,这项研究通过3D打印同时解决了锂金属负极不稳定和正极面容量较低的问题,为研制长寿命、高比能锂金属电池提供了一条可行的途径。同时,该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导专项和中科院大连清洁能源国家实验室的资助。
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