3D打印加持 “長續(xù)航”電池可期

2020-06-17 06:29:10 太陽能發(fā)電網(wǎng)
3D打印技術(shù)展示及3D打印的電極實(shí)物照片無人機(jī)、電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)等實(shí)現(xiàn)“長續(xù)航”,一直是人們熱切期盼的事。然而,由于缺乏具有穩(wěn)定“儲(chǔ)能”與“供電”能力的電源系統(tǒng),這一期待總是會(huì)落空。值得欣慰的是,最近傳來了好消息——利用3D打印技術(shù)或可助力解決“長續(xù)航”面臨的瓶頸問題。日前,蘇州大學(xué)能源學(xué)院教授孫靖

3D打印技術(shù)展示及3D打印的電極實(shí)物照片

 

無人機(jī)、電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)等實(shí)現(xiàn)“長續(xù)航”,一直是人們熱切期盼的事。然而,由于缺乏具有穩(wěn)定“儲(chǔ)能”與“供電”能力的電源系統(tǒng),這一期待總是會(huì)落空。


值得欣慰的是,最近傳來了好消息——利用3D打印技術(shù)或可助力解決“長續(xù)航”面臨的瓶頸問題。


日前,蘇州大學(xué)能源學(xué)院教授孫靖宇與中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授劉忠范團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出3D打印硫正極,并獲得了具有高倍率性能和高面容量的鋰硫電池。相關(guān)技術(shù)還可推廣到其他新興的儲(chǔ)能設(shè)備,為發(fā)展新型、高效、規(guī)模化的電極構(gòu)筑方法提供重要借鑒。


相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國際能源領(lǐng)域高水平期刊《納米能源》雜志上。


鋰硫電池中的“穿梭效應(yīng)”


隨著人類社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)也提出了更高的要求。


鋰硫電池因具有較高的理論能量密度、較低的電極材料成本,以及正極材料硫環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是下一代最具發(fā)展前景的儲(chǔ)能體系之一。


“鋰硫電池在無人機(jī)、電動(dòng)汽車及軍用便攜式電源領(lǐng)域有著巨大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景!闭撐墓餐ㄓ嵶髡邔O靖宇告訴《中國科學(xué)報(bào)》。但遺憾的是,由于硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電率低、多硫化物穿梭以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢,導(dǎo)致硫的利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能差。


近年來,為了提高活性材料硫的利用率、改善鋰硫電池的電化學(xué)性能,科研人員進(jìn)行了大量探索性研究,努力尋找適合的硫宿主材料、黏合劑以及電解質(zhì)。


雖然這些領(lǐng)域目前都取得了許多研究進(jìn)展和成果,但大部分鋰硫電池體系仍存在硫負(fù)載量低、面容量低、電解液使用過量等問題,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化要求。


已有相關(guān)研究表明,導(dǎo)致現(xiàn)行鋰硫電池能量密度不足、電池循環(huán)壽命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。


中國科學(xué)院大連化學(xué)與物理研究所研究員陳劍告訴《中國科學(xué)報(bào)》,所謂“穿梭效應(yīng)”,即在鋰硫電池的放電過程,硫的電化學(xué)還原是兩電子、多步驟的反應(yīng),反應(yīng)生成多硫化物(Li2Sx)中間產(chǎn)物,可溶解于醚類電解液。若擴(kuò)散至負(fù)極,則與鋰反應(yīng)生成不溶性的硫化鋰,鋰被腐蝕,消耗活性物質(zhì),造成容量的不可逆損失,降低電池的循環(huán)壽命。


“抑制‘穿梭效應(yīng)’是鋰硫電池研究的關(guān)鍵之一,最核心的就是如何使其反應(yīng)中生成的長鏈多硫化物束縛在硫正極側(cè),或從根本上抑制多硫化物的產(chǎn)生。這在原理上是可行的,但還需要深入探索!标悇φf。


3D打印技術(shù)“加持”


3D打印技術(shù)自誕生以來,已經(jīng)應(yīng)用到醫(yī)療、軍工、航天、汽車、電子等各個(gè)領(lǐng)域。此外,其在鋰離子電池、鋰氧電池、鋅離子電池等儲(chǔ)能體系中也得到了初步應(yīng)用。


劉忠范和孫靖宇團(tuán)隊(duì)長期關(guān)注并開展烯碳能源材料及應(yīng)用技術(shù)研究。近年來,他們從3D打印技術(shù)中找到了新的突破思路和啟示。


孫靖宇介紹,3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì),如有助于構(gòu)建具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的自支撐無集流體電極,并利于離子和電子的快速傳輸。3D打印技術(shù)通過控制打印層數(shù)實(shí)現(xiàn)控制電極材料負(fù)載量,突破了常規(guī)涂覆法制備電極的厚度限制,從而可獲得具有高單位面容量的電池系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用方面,可滿足定制化和規(guī);瘍(chǔ)能器件的構(gòu)筑需求。


“然而,面向能量存儲(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域的3D打印技術(shù)目前仍存在許多關(guān)鍵瓶頸,比如電極的打印精度對(duì)設(shè)備配置提出更高的要求、打印墨汁的制備工藝亟待系統(tǒng)探索,以及缺乏規(guī);∷⒀b備等!睂O靖宇說。


研究人員借助3D打印技術(shù),方便、高效、便捷地構(gòu)筑了高負(fù)載硫正極。該架構(gòu)具有經(jīng)過優(yōu)化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率,有利于對(duì)多硫化物進(jìn)行高效管理。


為了更好地抑制上述所提到的“穿梭效應(yīng)”,研究人員對(duì)打印墨水也有著獨(dú)特的設(shè)計(jì)。

 



作者:韓揚(yáng)眉 來源:中國科學(xué)報(bào) 責(zé)任編輯:jianping

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