3D打印技術展示及3D打印的電極實物照片

無人機、電動汽車、電動飛機等實現“長續航”，一直是人們熱切期盼的事。然而，由于缺乏具有穩定“儲能”與“供電”能力的電源系統，這一期待總是會落空。

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

日前，蘇州大學能源學院教授孫靖宇與中國科學院院士、北京大學教授劉忠范團隊構建出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。相關技術還可推廣到其他新興的儲能設備，為發展新型、高效、規模化的電極構筑方法提供重要借鑒。

相關研究成果近日發表在國際能源領域高水平期刊《納米能源》雜志上。

鋰硫電池中的“穿梭效應”

隨著人類社會的發展，人們對儲能系統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，以及正極材料硫環境友好、資源豐富等優點，被認為是下一代最具發展前景的儲能體系之一。

“鋰硫電池在無人機、電動汽車及軍用便攜式電源領域有著巨大的產業應用前景。”論文共同通訊作者孫靖宇告訴《中國科學報》。但遺憾的是，由于硫及其放電產物導電率低、多硫化物穿梭以及反應動力學緩慢，導致硫的利用率低、循環穩定性和倍率性能差。

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性能，科研人員進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。

雖然這些領域目前都取得了許多研究進展和成果，但大部分鋰硫電池體系仍存在硫負載量低、面容量低、電解液使用過量等問題，遠遠不能滿足實際應用和商業化要求。

已有相關研究表明，導致現行鋰硫電池能量密度不足、電池循環壽命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效應”。

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

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

3D打印技術“加持”

3D打印技術自誕生以來，已經應用到醫療、軍工、航天、汽車、電子等各個領域。此外，其在鋰離子電池、鋰氧電池、鋅離子電池等儲能體系中也得到了初步應用。

劉忠范和孫靖宇團隊長期關注并開展烯碳能源材料及應用技術研究。近年來，他們從3D打印技術中找到了新的突破思路和啟示。

孫靖宇介紹，3D打印技術具有諸多優勢，如有助于構建具有多級孔結構的自支撐無集流體電極，并利于離子和電子的快速傳輸。3D打印技術通過控制打印層數實現控制電極材料負載量，突破了常規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。在實際應用方面，可滿足定制化和規模化儲能器件的構筑需求。

“然而，面向能量存儲應用領域的3D打印技術目前仍存在許多關鍵瓶頸，比如電極的打印精度對設備配置提出更高的要求、打印墨汁的制備工藝亟待系統探索，以及缺乏規模化印刷裝備等。”孫靖宇說。

研究人員借助3D打印技術，方便、高效、便捷地構筑了高負載硫正極。該架構具有經過優化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率，有利于對多硫化物進行高效管理。

為了更好地抑制上述所提到的“穿梭效應”，研究人員對打印墨水也有著獨特的設計。