石墨烯要怎么样与3D打印将颠覆锂电池行业

　　

　　石墨烯和3D打印的概念大家都不生疏，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，但是这并不阻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，使用范畴也从民用，扩展到工业和航空范畴，在一些飞机发动机加工中就使用到了3D打印技术，用于一些复杂形状的零部件的加工，极大的提高了产品的成品率，降低了出产难度。

　　那么这两种高端技术如果使用在锂电池会萌生什么颠覆性的效果呢？严格的意义上，锂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，让许多往日无法实现的设想成为实际，想象以下，有一天当你需要一枚锂电池时，你只需要从网上下载设计方案，导入到3D打印机里，就可以笔直获得一枚完整的锂电池，是否很炫酷？

　　近日，美国马里兰大学－帕克分校的KunFu等人就为这一美妙的愿望插上了翅膀，让它从梦想飞入实际。KunFu设计了一款实用3D打印技术制备的全固态锂电池，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打印最紧要的自然就是墨水了，打印锂电池的墨水就是正极、负极和电解液，KunFu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。

　　KunFu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，依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，然后经过热解决，使氧化石墨烯GO转变为还原石墨烯，最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呈现出规矩排列，加强了电子导电性，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，流变特性是最为紧要的属性，这将笔直影响打印效果，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，声明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。存储试验声明，在长达四周的时间内，浆料的粘度仅有轻微的上升，浆料依然保持了剪切变稀的特性，表观粘度依然维持在了100－1000Pa的范围内，这声明该用于3D打印的墨水，具有良好的储存特性。

　　当然对于一款锂电池来说，最为紧要的还是电化学性能。电化学探测声明，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185mAh／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。在倍率性能探测中，发现LTO负极的倍率性能，要分明低于LFP正极的倍率性能，这主要是两个方面的原由造成的，首先LTO的电子电导率要低于LFP材料（6.1和31.6S／cm），其次LTO颗粒药分明大于LFP（200和50nm），这影响了Li＋的扩撒和电荷交换。

　　3D打印技术最大的优点能够依据需求定制具有特殊形状的电池，例如在一些微型机器人范畴，传统的锂电池技术，无法加工微型和特殊形状的锂电池，而3D打印技术就不存在这一问题，可以极大扩展锂电池的使用范畴。

声明： 本站所发布文章部分图片和内容自于互联网，如有侵权请联系删除