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為了維持經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，能源和環(huán)境問題變得更加突出。隨著科技爆炸式發(fā)展，人們對儲能有了更高的需求，商業(yè)化的石墨負(fù)極理論容量低，已然限制了鋰離子電池體系的能量密度提升，無法滿足現(xiàn)代社會對高比能電池的需求。鋰金屬二次電池因其比能量高，成為下一代儲能電池的熱門選擇。然而，鋰金屬電池中幾乎所有組件都面臨著實(shí)際挑戰(zhàn)，主要集中在鋰金屬負(fù)極上，包括沉積不均勻，枝晶生長、體積膨脹大和SEI膜不穩(wěn)定等，嚴(yán)重的損害了電池的安全性及循環(huán)壽命，限制著鋰金屬電池的商業(yè)應(yīng)用。傳統(tǒng)鋰金屬電池制造技術(shù)在控制組件的幾何形狀和結(jié)構(gòu)方面存在一些局限性，限制來電池的性能。3D打印作為一種新型制造技術(shù)，它可以無需依賴任何模板精確控制從微觀到宏觀的形狀與結(jié)構(gòu)，從而提高電池的能量密度和功率密度。

　　近日，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程潘安強(qiáng)教授圍繞“3D打印鋰金屬二次電池”主題，在國際著名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表了題為“3D printing for rechargeable lithium metal batteries”的綜述文章，周雙博士為論文第一作者。文章結(jié)合鋰金屬二次電池所面臨困境以及3D打印鋰金屬電池的獨(dú)特優(yōu)勢，總結(jié)了目前具有代表性的3D打印技術(shù)，回顧了3D打印技術(shù)在鋰金屬電池各組件的應(yīng)用進(jìn)展并對3D打印鋰金屬二次電池的設(shè)計(jì)原理和實(shí)際挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)與展望。

　　
3D打印二次鋰電池優(yōu)勢與展望

　　文章亮點(diǎn)

　　1. 從機(jī)理層面分析并總結(jié)了3D打印在鋰金屬電池各組分中的優(yōu)勢。

　　2. 總結(jié)和對比了四種代表性的3D打印鋰金屬電池技術(shù)(IJP, DIW, FDM, SLA)的特點(diǎn)，建立了打印組分與打印技術(shù)之間相互聯(lián)系。

　　3. 總結(jié)3D打印技術(shù)在鋰金屬電池各組件的應(yīng)用進(jìn)展，并給出了3D打印組件需要實(shí)現(xiàn)的基本目標(biāo)。

　　4. 匯總了3D打印鋰金屬電池目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

　　△3D打印在LMBs中的主要技術(shù)和應(yīng)用示意圖

　　
3D打印鋰金屬電池的優(yōu)勢

　　正極設(shè)計(jì)：3D打印可精確的設(shè)計(jì)正極電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二維電極轉(zhuǎn)為三維電極可控轉(zhuǎn)變，可提高電極表面活性，縮短離子傳輸距離，實(shí)現(xiàn)高載量正極制備。

　　結(jié)構(gòu)化負(fù)極：通過3D打印構(gòu)筑結(jié)構(gòu)化鋰金屬負(fù)極，可增大電極的比表面積，將總電場均勻地分布在整個(gè)多孔電極中，達(dá)到降低有效電流密度，均勻沉積和抑制電極體積膨脹的目的，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性與安全性。

　　
隔膜/固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)：3D打印隔膜可實(shí)現(xiàn)隔膜結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)，從而均勻的離子通量，減少鋰枝晶的形成。為了使固態(tài)鋰電池也獲得高的離子電導(dǎo)率，通常需要將固體電解質(zhì)摻入正極的活性材料中，這種固-固結(jié)合的界面必須是無縫且具有足夠的靈活性，以滿足充放電過程中所造成的幾何變化。3D打印可精細(xì)優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，滿足固態(tài)鋰金屬電池中嚴(yán)苛固-固界面要求。

　　△3D打印在鋰金屬電池中的應(yīng)用

　　
3D打印鋰金屬電池挑戰(zhàn)與未來

　　目前3D打印鋰金屬電池存在許多挑戰(zhàn)，包括原材料選擇范圍小，不同組件打印的兼容性差，嚴(yán)格電池組裝條件，打印精度低等問題，未來應(yīng)該探索多樣化打印原材料，開發(fā)更先進(jìn)的3D打印技術(shù)或者聯(lián)合其他先進(jìn)技術(shù)以提高打印的精度和效率，簡化打印后處理過程。同時(shí)在打印電池器件方面，可開發(fā)固態(tài)鋰金屬全電池一體化設(shè)計(jì)，探索特殊定制應(yīng)用(如：柔性，可穿戴及不規(guī)則圖案鋰金屬電池)。

　　Shuang Zhou, Ibrahim Usman, Yijiang Wang, Anqiang Pan, 3D printing for rechargeable lithium metal batteries, Energy Storage Materials, 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.02.041
論文鏈接：3D printing for rechargeable lithium metal batteries - ScienceDirec