advanced functional materials 3d打印技术制备电池的发展与挑战

1、图解综述：Advanced Functional Materials3D打印技术制备电池的发展与挑战微算云平台 CTR 编辑背景介绍1、电池由于其储能稳定和供电方便，以及其形式、容量和功率密度多样，而被作为最重要和应用最广泛的电能器件之一。2、然而，目前大多数电极材料的电导率较低，锂离子扩散速度较慢，导致电池的充/放电率和功率密度较低。此外，需要 考虑成本问题。3、虽然更厚的电极可以提高能量密度、面积电容和活性材料 的负载，同时保持离子的快速扩散，但是随着电极厚度的增加， 电极的电子传输距离和总阻抗也会增加，导致功率密度和速率 能力的降低。4、3D打印的显著优势：1) 制造所需的复杂结构；2)

2、精确控制电极形状和厚度；3)打印固态电解质结构稳定性高，操作安全； 4)低成本、环保、易操作；5)通过直接集成电池和其他电子产 品，消除设备组装和包装步骤。利用3D打印技术能够制造出 表面积更大、面载密度更高、扩散路径更短、离子输运过程阻力更小的新型3D架构电极，从而提高电池的能量密度和功率密度。成果介绍近日，美国密歇根州立大学的Changyong Cao 助理教授（通讯作者）团队总结了近年来新兴的3D打印电池技术的研究进展。首先总结了通过主要3D打印方法制造3D打印电池的最新进展，包括基于光刻和模板辅助电沉积的3D打印、喷墨打印、熔融沉积建模和气溶胶喷射打印等。然后，重点展示了在电池电极、电

3、解质的开发和打印中取得的成就。 最后，讨论了目前的主要挑战，并提出了开发3D打印电池的潜在研究领域。 随着3D打印技术和材料的不断发展，具有长期耐用性、良好安全性以及高能量和功率密度的3D打印电池最终将广泛用于许多领域。图1、3D打印技术、电极材料、电解液材料的概述图文速递2、3D打印电池的主要打印方法表1、3D打印电池的各种方法和材料的综述和比较图文速递表2、比较不同3D打印技术的电池图文速递2.1、基于全息光刻（HL）的3D打印图2、基于光刻打印的3D打印电池全息光刻（HL）是基于多光束干涉现象，而无需使用复杂的光掩模或光学系统。 总之，利用可光固化材料的光刻打印技术在聚合后，通过施加可见

4、光和紫外光可以构建3D结构。目前已被广泛用于打印具有高分辨率和表面处理效果的复杂3D结构。图文速递2.2、基于模板辅助电沉积（TAE）的3D打印图3、模板辅助电沉积打印电池TAE技术是合成具有可调孔径和结构大孔材料的最典型方法。而大比表面积、高度有序的大孔材料被广泛用作电极材料。 此外，TAE是可制造纳米结构电极的少数3D打印技术之一。 然而，由于TAE打印的电极孔隙率高，导致其力学性能较差，所以TAE作为大规模生产技术还有待验证。图文速递2.3、基于喷墨打印（IJP）的3D打印图4、IJP的微型电池IJP是一种典型的基于液滴的沉积技术，通过喷嘴将材料直接沉积到纸张等基材上，根据喷出液滴的数量

5、创建具有高分辨率和可调厚度的复杂图案。故IJP是一种低成本打印电池技术。此外，IJP具有良好的多材料性能、高材料利用率和出色的分 辨率。 但是，IJP存在相对较低的打印速度、对油墨配方的高要求和打印头耐用性较差且易于堵塞/损坏等问题。图文速递2.4、基于直接喷墨（DIW）的3D打印图5、DIW的微型电池DIW方法是基于室温下挤出墨水的材料，其分辨率由喷嘴直径决定。因其具有价格低廉、操作简便、材料多样化和 无掩模工艺等优点，已成为制造电池的最广泛使用3D打印方法。但是，DIW对基于凝胶的粘弹性油墨有很高的要求， 需要足够高的屈服应力和储能模量。此外，层间的机械强度较弱也是亟待解决的问题。图文速递

6、2.5、基于熔融沉积建模（FDM）的3D打印图6、FDM制造锂离子电池目前，FDM是使用最广泛的3D打印技术之一，用于制造几乎没有材料浪费的复杂物体且被应用许多领域。 FDM使用的热塑性材料包括聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA）等。然而，FDM技术中电化学活性材料必须与热塑性塑料混合并挤出以用作后续印刷的发泡剂，严重增加了整体程序的复杂性和制造时间。同时热塑性细丝需要在高温下加热到其玻璃态。 此外，FDM的打印分辨率通常较低，尤其是沿Z轴，影响打印精度和可控性。图文速递2.6、基于气溶胶喷射（AJP）的3D打印AJP是一种较新的沉积方法，是一种新兴的非接触式直写方法。由于其不接

7、触、不需要掩模、分辨率高的特点，AJP被广泛应用于打印2D电子电路和器件，以及用先进 的气溶胶射流模型在3D物体表面打印3D电子器件。然而， 直到最近Saleh等人才报道了将这项技术用于制造电池。AJP制备的多孔微点阵电极将电池的比容量和面容量分别提高了400%和100%。此外，该微点阵电极具有良好的机械稳定性，在40个电化学循环后仍能保持良好的形貌。图文速递3、3D打印电池的电极材料3.1、石墨烯（GO）或氧化石墨烯（rGO）图7、基于GO或rGO电极的3D打印电池GO具有优越的成墨能力、独特的粘弹性和适用于3D打印的功能特性。通过热退火工艺，氧化石墨烯可以很容易地还 原为导电石墨烯（rGO

8、）。其具有良好的导电性，可以作为一种很有前途的电池电极材料。图文速递3.2、碳纳米管（CNTs）图8、基于CNTs电极的3D打印电池CNTs具有机械强度高、化学稳定性好、比表面积大、电学和热学性能优异等优点，被广泛应用于制造传感器、晶体管、超级电容器等器件，特别是3D打印电池。图文速递3.3、碳纳米纤维（CNF）图9、基于CNF电极的3D打印电池研究发现，基于纤维素CNFs的锂金属微电池，由于纤维素分子上存在丰富的羟基，使得CNF在水中具有很高的溶解度。此外，CNF的负zeta电位高达60 mV，使得CNF可以作为表面活性剂来增强其他材料在水溶液中的分散性。图文速递3.4、Li4Ti5O12（

9、LTQ）/LiFePO4（LFP）图10、基于LTQ/LFP电极的3D打印电池LTQ和LFP是3D打印电池中最常用的正极和负极材料，具有体积膨胀小、高速率、高稳定性和安全性的特点。其中， Lewis集团是首次开发LTO/LFP材料作为3D交叉微电池结构(3D-IMA) 。此外，该工作为全光电池的研制提供了一种有效方法，为未来的可穿戴电子应用开辟了新前景。图文速递4、3D打印电池的电解质材料图11、3D打印电池的电解质材料图文速递图12、3D打印电池的电解质材料电解质是锂离子电池最重要的成分之一，它在电化学性能、循环寿命和电池安全性方面起着非同寻常的作用，甚至起着决定性的作用。近来，更多注意力集

10、中在具有高离子电导率、 低电子电导率和低活化能的优点的高性能电解质上。随着3D 打印技术的不断发展，电池的电解质也可以直接打印，从而减少了制造程序、时间和成本。图文速递总结与展望总之，作者介绍了基于各种先进印刷技术以及不同电极和电解质材料的3D打印电池的最新进展。然而，虽然在制造3D打印电池方面已经取得了很大进展，但是在将其广泛用于商业用途之前，仍然存在以下必须解决的问题：（1） 可用作3D打印电池的活性材料很少，需要开发新的电化学活性材料。此外，还需要探索用于印刷电池的更合适的添加 剂组分。（2） 在3D打印电极制作过程中引入的多孔结构，虽然增加了电池功率和能量密度，但是降低了机械强度。此外

11、，逐层生产3D打印的结构而导致层间的粘合力较弱，需要进行进一步的研 究来改善3D打印电池的机械性能。（3） 大多数3D打印技术打印的高度有序孔通常是微米级的。此外，3D打印电池通常需要高温后处理，程序耗时且不便宜， 也可能牺牲电池的某些电化学性能。需要开发更先进的3D打印技术或具有更高分辨率、更高效率和非后处理的组合技术。（4） 降低空气中的水蒸气和氧气对活性电极和电解质材料性能的影响。因此，需要开发用于印刷包装或封装的新技术和材料。（5）当前3D打印电池的大多数研究都集中在电极和电解质的材料上，极少研究3D打印制造集电器。此外，对于完全3D打印的电池，需要改进油墨对要依次成功印刷的每个组件的

12、兼容性。随着打印技术和材料的不断发展，相信具有长期耐用性、良好的安全性以及高能量和功率密度的3D打印电池终将广泛用于许多领域。通讯作者简介Changyong Cao is currently an Assistant Professor in the School ofPackaging, Departments of Mechanical Engineering and Electrical&ComputerEngineering(bycourtesy)atMichiganStateUniversity (MSU), where he is directing the Laboratory for Soft Machines and Electronics. He received his Ph.D. degree in mechanical engineering and materials science from the Australian National University in 2014, and then worked as a postdoctoral research associate at Duke University.His research interests include the mechanics and physics o