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发布日期:2020/6/17



     3D打印技术展示及3D打印的电极实物照片


      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。


       锂硫电池中的“穿梭效应”


       随着人类社会的发展,人们对储能系统也提出了更高的要求。


       锂硫电池因具有较高的理论能量密度、较低的电极材料成本,以及正极材料硫环境友好、资源丰富等优点,被认为是下一代最具发展前景的储能体系之一。


    “锂硫电池在无人机、电动汽车及军用便携式电源领域有着巨大的产业应用前景。”论文共同通讯作者孙靖宇告诉《中国科学报》。但遗憾的是,由于硫及其放电产物导电率低、多硫化物穿梭以及反应动力学缓慢,导致硫的利用率低、循环稳定性和倍率性能差。


     近年来,为了提高活性材料硫的利用率、改善锂硫电池的电化学性能,科研人员进行了大量探索性研究,努力寻找适合的硫宿主材料、黏合剂以及电解质。


       虽然这些领域目前都取得了许多研究进展和成果,但大部分锂硫电池体系仍存在硫负载量低、面容量低、电解液使用过量等问题,远远不能满足实际应用和商业化要求。


       已有相关研究表明,导致现行锂硫电池能量密度不足、电池循环寿命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效应”。


       中国科学院大连化学与物理研究所研究员陈剑告诉《中国科学报》,所谓“穿梭效应”,即在锂硫电池的放电过程,硫的电化学还原是两电子、多步骤的反应,反应生成多硫化物(Li2Sx)中间产物,可溶解于醚类电解液。若扩散至负极,则与锂反应生成不溶性的硫化锂,锂被腐蚀,消耗活性物质,造成容量的不可逆损失,降低电池的循环寿命。


   “抑制‘穿梭效应’是锂硫电池研究的关键之一,最核心的就是如何使其反应中生成的长链多硫化物束缚在硫正极侧,或从根本上抑制多硫化物的产生。这在原理上是可行的,但还需要深入探索。”陈剑说。


     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。



来源:中国科学报

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