研究人員為電池定制3D打印多孔陽(yáng)極石墨烯/聚乳酸

來(lái)源： 增材之光

長(zhǎng)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(jìn)入航空航天和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著能源消耗需求的增加，同時(shí)降低我們使用化石燃料的壓力，我們的社會(huì)正在努力尋找制造儲(chǔ)能設(shè)備的創(chuàng)新方法。

在過(guò)去，3D打印技術(shù)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(xué)、中國(guó)中南大學(xué)和切斯特大學(xué)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(yáng)極，以便應(yīng)用于鋰離子電池中，“關(guān)于他們?cè)?D打印鋰離子電池中應(yīng)用鋰離子陽(yáng)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(xiě)道：“我們證明，20 wt.%的石墨烯含量具有足夠的導(dǎo)電性和關(guān)鍵、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印獨(dú)立陽(yáng)極（3DAs）；簡(jiǎn)化了鋰離子電池的組件，無(wú)需使用銅集電器。3DAs具有物理化學(xué)和電化學(xué)特征，具有足夠的導(dǎo)電性，用于電化學(xué)研究。關(guān)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(guò)使用化學(xué)預(yù)處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導(dǎo)致比容量（電流密度為40 mA g-1時(shí)約為500 mAh g-1）增加200倍（在陽(yáng)極穩(wěn)定之后）。這項(xiàng)工作顯著增強(qiáng)了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存儲(chǔ)設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實(shí)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(chǔ)能設(shè)備，如鋰基電池，因?yàn)樵摷夹g(shù)可用于創(chuàng)建具有大表面積的結(jié)構(gòu)，這在能源能力方面很有幫助。這個(gè)特殊的團(tuán)隊(duì)使用FDM（基于擠出）技術(shù)，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽(yáng)極。他們還進(jìn)行了電化學(xué)和物理化學(xué)表征，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化，以控制其3D打印獨(dú)立陽(yáng)極或3DAs的導(dǎo)電性、電化學(xué)活性和3D可打印性。

研究人員表示，“這種方法簡(jiǎn)化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器。”

該團(tuán)隊(duì)使用Autodesk Fusion 360為這項(xiàng)工作創(chuàng)建了3D打印設(shè)計(jì)，一個(gè)直徑為1.0毫米的圓形圓盤(pán)電極，在190°C下使用直接驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)在ZMorph 3D打印機(jī)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(jìn)行驗(yàn)證。

石墨烯/ 聚乳酸粉末，各自的絲材和3DAs的物理化學(xué)表征和光學(xué)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(xué)表征），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜。

“簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)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(méi)有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫(xiě)道。

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

在優(yōu)化了石墨烯含量之后，該團(tuán)隊(duì)將20 wt.%石墨烯絲材用于3D打印測(cè)試陽(yáng)極，以獲得更多的物理化學(xué)表征。他們還完成了對(duì)陽(yáng)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(jìn)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(gè)樣品中形成導(dǎo)電通路，從而證實(shí)了上述電化學(xué)和物理化學(xué)特征。”研究人員寫(xiě)道。

典型石墨烯3DA與氫氧化鈉（NaOH）前后化學(xué)處理的SEM圖像顯示其各自的充電、放電曲線。用于測(cè)試陽(yáng)極的裝置比傳統(tǒng)的電池更簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰�銅集電器。

最后，該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了鋰離子電池設(shè)置中3DAs的能量能力，發(fā)現(xiàn)石墨烯3DAs具有相對(duì)較低的電化學(xué)響應(yīng)。為了進(jìn)一步了解，他們分析了石墨烯3DA的形貌，表明其表面沒(méi)有良好的孔隙度來(lái)潤(rùn)濕電解質(zhì)。通過(guò)向3DAs引入簡(jiǎn)單的化學(xué)預(yù)處理氫氧化鈉（NaOH）達(dá)24小時(shí)，研究人員能夠誘導(dǎo)孔隙度并克服這一限制。

為了進(jìn)一步了解，他們使用X射線衍射分析了這種預(yù)處理前后石墨烯/ PLA的晶體結(jié)構(gòu)，解釋了SEM圖像和XRD圖譜顯示材料沒(méi)有失去其3D結(jié)構(gòu)，“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(xué)行為主要類(lèi)似于石墨烯，并且復(fù)合材料中增加的石墨烯納米片的表面積提供了改進(jìn)的能量輸出�！毖芯咳藛T說(shuō)，“本文的結(jié)果通過(guò)使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸絲材增強(qiáng)了增材制造/3D打印石墨烯基儲(chǔ)能裝置的領(lǐng)域，并且對(duì)3D打印陽(yáng)極進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)處理，可使其內(nèi)部增加200倍比容量（陽(yáng)極穩(wěn)定后）。”

該團(tuán)隊(duì)確定3D打印的獨(dú)立式陽(yáng)極具有20 wt.%石墨烯含量具有最有效的3D可打印性和導(dǎo)電性。

“這里給出的結(jié)果顯著增強(qiáng)了增材制造/ 3D打印石墨烯基能量存儲(chǔ)設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實(shí)現(xiàn)有用的3D打印電池�！痹撜撐目偨Y(jié)道。

來(lái)源： 增材之光