石墨烯与3D打印技术将颠覆传统锂离子电池行业？
- 来源：新能源Leader
- 编辑：大Z
- 2016/12/28 9:45:19
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【中国智能制造网 技术前沿】在电极中，由于剪切力的作用氧化石墨烯GO呈现出规则排列，增强了电子导电性，此外氧化石墨烯GO的多孔结构也为LFO或者LTO和电解液提供了大量的附着点。
石墨烯与3D打印技术将颠覆传统锂离子电池行业？
石墨烯和3D打印的概念大家都不陌生，特别是前一段时间，华为的石墨烯电池事件更是让石墨烯站上了风口浪尖，虽然事件的相关方面纷纷澄清，各路媒体也使尽浑身解数对华为的石墨烯进行解读，但是这并不妨碍广大的围观群众对华为的石墨烯电池津津乐道，品头论足，一时间华为被广大群众奉为中国企业创新的典范、技术先锋，出尽风头。
3D打印技术也在近年如雨后春笋一般快速崛起，不仅仅是传统的塑料类材质，甚至一些金属类材料也可以打印，应用领域也从民用，扩展到工业和航空领域，在一些飞机发动机生产中就使用到了3D打印技术，用于一些复杂形状的零部件的生产，极大的提高了产品的成品率，降低了加工难度。
那么这两种技术如果应用在锂离子电池会产生什么颠覆性的效果呢？严格的意义上，锂离子电池的电极涂布是一种“2.5D打印技术”，因为电极涂布过程可以控制厚度，但是无法控制形状，整个涂布机实际上就是一台巨大的打印机。3D打印技术的快速发展，让许多以前无法实现的设想成为现实，想象以下，有一天当你需要一枚锂离子电池时，你只需要从网上下载设计方案，导入到3D打印机里，就可以直接获得一枚完整的锂离子电池，是不是很炫酷？
近日，美国马里兰大学-帕克分校的Kun Fu等人就为这一美好的愿望插上了翅膀，让它从梦想飞入现实。Kun Fu设计了一款实用3D打印技术制备的全固态锂离子电池，该电池的尺寸为7*3mm，正负极的重量分别为3.8mg和3.9mg，，电解质采用了聚合物全固态电解质。3D打印重要的自然就是墨水了，打印锂离子电池的墨水就是正极、负极和电解液，Kun Fu采用水和高浓度的氧化石墨烯GO，与正极、负极活性物质作为打印正负极的墨水，电解液采用聚合物电解质。氧化石墨烯GO的加入显著提升了电极的导电性，提升了3D打印电池的性能。水系溶液体系，更加绿色环保、安全和廉价。
Kun Fu设计的电池，正负极分别采用了磷酸铁锂LFP和钛酸锂LTO，打印过程是通过喷嘴首先喷出细丝，根据设定好的程序一层一层的铺在基板上，然后采用冷冻干燥，以除去其中的水分和固化结构，然后经过热处理，使氧化石墨烯GO转变为还原石墨烯，后在正负极之间的间隙内填入聚合物电解质，就完成了3D打印电池的制作。在电极中，由于剪切力的作用氧化石墨烯GO呈现出规则排列，增强了电子导电性，此外氧化石墨烯GO的多孔结构也为LFO或者LTO和电解液提供了大量的附着点。
当然对于一款用于3D打印的墨水，流变特性是为重要的属性，这将直接影响打印效果，对GO，LFP/GO，LTO/GO体系研究发现，三者的流变特性曲线几乎一致，表明LFO、LTO对浆料的流变特性影响不大。并且浆料具有很高的表观粘度，在1/s的剪切速度下，浆料的粘度为100-1000Pa，者有利于复杂结构的打印和设计。存储实验表明，在长达四周的时间内，浆料的粘度仅有轻微的上升，浆料仍然保持了剪切变稀的特性，表观粘度仍然维持在了100-1000Pa的范围内，这表明该用于3D打印的墨水，具有良好的储存特性。
当然对于一款锂离子电池来说，为重要的还是电化学性能。电化学测试表明，LFO/GO半电池在10mA/g的电流密度下，充放电容量分别达到168和164mAh/g，十分接近LFP的理论比容量170mAh/g。LTO/GO半电池在10mA/g的电流密度下充放电容量分别达到184和185 mAh/g，这甚至要高于LTO的理论比容量175mAh/g，这可能是还原氧化石墨烯的贡献。在倍率性能测试中，发现LTO负极的倍率性能，要明显低于LFP正极的倍率性能，这主要是两个方面的原因造成的，首先LTO的电子电导率要低于LFP材料(6.1和31.6S/cm)，其次LTO颗粒药明显大于LFP(200和50nm)，这影响了Li+的扩撒和电荷交换。
3D打印技术大的优势能够根据需求定制具有特殊形状的电池，例如在一些微型机器人领域，传统的锂离子电池技术，无法生产微型和特殊形状的锂离子电池，而3D打印技术就不存在这一问题，可以极大扩展锂离子电池的应用领域。
（原标题：石墨烯与3D打印如何颠覆锂离子电池行业）
（原标题：石墨烯与3D打印如何颠覆锂离子电池行业）
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