研究人員為電池定制3D打印多孔陽極石墨烯/聚乳酸

來源： 增材之光

長效可充電鋰離子（Li-ion）電池具有高能量密度和低自放電性能,，并且正在探索進入航空航天和軍事應用等領域,。隨著能源消耗需求的增加,，同時降低我們使用化石燃料的壓力，我們的社會正在努力尋找制造儲能設備的創(chuàng)新方法,。

在過去,，3D打印技術被用于制造鋰離子電池的多孔電極，甚至是電池本身,。曼徹斯特城市大學,、中國中南大學和切斯特大學的一組研究人員最近發(fā)表了一篇題為“新一代增材制造：可調(diào)節(jié)石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許制造3D可打印多孔陽極,，以便應用于鋰離子電池中,，“關于他們在3D打印鋰離子電池中應用鋰離子陽極的工作，使用定制的石墨烯/ 聚乳酸絲材制成,，可以輕松定制石墨烯含量,。

摘要中寫道：“我們證明，20 wt.%的石墨烯含量具有足夠的導電性和關鍵,、有效的3D打印能力,，可快速制造3D打印獨立陽極（3DAs）；簡化了鋰離子電池的組件，無需使用銅集電器,。3DAs具有物理化學和電化學特征,，具有足夠的導電性，用于電化學研究,。關鍵的是,，研究發(fā)現(xiàn)如果3DAs用于鋰離子電池，其比容量非常低,，但通過使用化學預處理可以顯著提高,。這種處理引起孔隙率增加，這導致比容量（電流密度為40 mA g-1時約為500 mAh g-1）增加200倍（在陽極穩(wěn)定之后）,。這項工作顯著增強了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存儲設備領域,，證明可以實現(xiàn)有用的3D可打印電池�,！�

許多研究人員正在研究新型納米材料,，如碳納米管和石墨烯，用于3D打印新型儲能設備,，如鋰基電池,，因為該技術可用于創(chuàng)建具有大表面積的結構，這在能源能力方面很有幫助,。這個特殊的團隊使用FDM（基于擠出）技術,，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽極。他們還進行了電化學和物理化學表征,，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化,，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導電性、電化學活性和3D可打印性,。

研究人員表示,，“這種方法簡化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器,�,！�

該團隊使用Autodesk Fusion 360為這項工作創(chuàng)建了3D打印設計，一個直徑為1.0毫米的圓形圓盤電極,，在190°C下使用直接驅動擠出機在ZMorph 3D打印機上打印,。3D可打印石墨烯/ 聚乳酸絲材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯納米片制成，其使用熱重分析（TGA）進行驗證,。

石墨烯/ 聚乳酸粉末,，各自的絲材和3DAs的物理化學表征和光學圖像。A：熱重分析,，B：電阻率與石墨烯含量,，C：20 wt. %的透射電鏡分析（TEM）分析,。D： 3DAs的3D打印工藝（用于電化學表征），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜,。

“簡而言之,，含20 wt. % 以上的石墨烯/ 聚乳酸絲材的制造在均勻性、可打印性和結構完整性方面是非常脆且高度不可生產(chǎn),；另外,，石墨烯重量百分比低于10%的絲材沒有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫道,。

“因此,，我們發(fā)現(xiàn)15–20%是最佳重量。當我們考慮使用石墨烯納米片時,，電阻率下降,，電導率增加�,！�

在優(yōu)化了石墨烯含量之后,，該團隊將20 wt.%石墨烯絲材用于3D打印測試陽極，以獲得更多的物理化學表征,。他們還完成了對陽極的拉曼分析,，以及XPS分析；后者涉及“在C 1s和O 1s光電子峰上”進行高分辨率掃描,，這種掃描形狀寬廣而奇特,。分分析表明,，與石墨烯/聚乳酸樣品相比,，聚乳酸有兩種形式，大致相同的水平,。

“總而言之,，XPS分析顯示，石墨烯/ 聚乳酸絲材內(nèi)的大量石墨烯完全分散在聚乳酸中,，在整個樣品中形成導電通路,，從而證實了上述電化學和物理化學特征�,！毖芯咳藛T寫道,。

典型石墨烯3DA與氫氧化鈉（NaOH）前后化學處理的SEM圖像顯示其各自的充電、放電曲線,。用于測試陽極的裝置比傳統(tǒng)的電池更簡單,，因為不需要銅集電器。

最后,，該團隊評估了鋰離子電池設置中3DAs的能量能力,，發(fā)現(xiàn)石墨烯3DAs具有相對較低的電化學響應,。為了進一步了解，他們分析了石墨烯3DA的形貌,，表明其表面沒有良好的孔隙度來潤濕電解質(zhì),。通過向3DAs引入簡單的化學預處理氫氧化鈉（NaOH）達24小時，研究人員能夠誘導孔隙度并克服這一限制,。

為了進一步了解,，他們使用X射線衍射分析了這種預處理前后石墨烯/ PLA的晶體結構，解釋了SEM圖像和XRD圖譜顯示材料沒有失去其3D結構,，“但現(xiàn)在提供了良好的電化行為/性能,。”

“我們建議將石墨烯納入3DA中,，其電化學行為主要類似于石墨烯,，并且復合材料中增加的石墨烯納米片的表面積提供了改進的能量輸出�,！毖芯咳藛T說,，“本文的結果通過使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸絲材增強了增材制造/3D打印石墨烯基儲能裝置的領域，并且對3D打印陽極進行簡單的化學處理,，可使其內(nèi)部增加200倍比容量（陽極穩(wěn)定后）,。”

該團隊確定3D打印的獨立式陽極具有20 wt.%石墨烯含量具有最有效的3D可打印性和導電性,。

“這里給出的結果顯著增強了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存儲設備領域,，證明可以實現(xiàn)有用的3D打印電池�,！痹撜撐目偨Y道,。

來源： 增材之光