近日，来自中国科学院大连化学物理研究所催化重点实验室的研究人员开发出一种新型锂金属电池，他们利用了3D打印技术显着提高了电池的寿命和能量密度。
他们的研究内容已经于2022年10月19日公开发表在了《Energy Storage Materials journal》上，题目为《All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density 》（《全3D打印锂金属电池，具有分层和导电多孔骨架，可实现超高面能量密度》）
研究背景
混合动力汽车和可穿戴微电子的快速发展极大地加快了锂空气、锂硫和锂金属电池(LMB)等高能量密度系统的开发。其中，金属锂，由于其具有较低的氧化还原电位和突出的理论容量，被认为是高能量密度电池的理想负极。但是，由于锂离子通量的不均匀和锂电解液界面的不稳定，金属锂的枝晶生长和巨大的体积变化会导致库仑效率(CE)和循环寿命不佳，并伴随“死锂”，从而阻碍了LMBs的商业应用。
研究内容
△3D打印LMBs制作过程的示意图
在这项工作中，研究人员使用3D打印技术，开发了多孔导电的Ti3C2Tx MXene，作为无枝晶和稳定的Li阳极，以及多维导电的LiFePO4(LFP)晶格作为超厚阴极，以构建具有强大的循环稳定性和超高面能量密度的全3D打印LMB。具体地说，高浓度的Mxene油墨具有高的表观粘度约为105pa⋅s和并具有一定的屈服应力(3990P.)，有利于3D打印清晰的图案化电极。
由此形成的导电性多孔网络不仅使锂离子通量和局部电流分布均匀，而且Ti3C2Tx Mxene的亲锂基团O和F可以与锂离子反应形成均匀的SEI膜，有效地控制了金属Li的均匀形核和生长，抑制了Li树枝晶的生长。
研究结果
△MXene@Li和Cu@Li电极的机理表征
●结果表明，用3D打印的此款锂电池即便有超长循环寿命（超过4800h）和高倍率性能。
●此外，3D打印的超厚(~3100μm)LFP阴极具有171 mg/cm2的超高质量负载量，并具有3D层状导电网络和丰富的孔结构，可以与无树枝晶的Mxene@Li阳极相结合，构建LMBs。
●全3D打印LMB具有低Li过剩容量(50%过剩容量)，大大增强了500次循环的循环稳定性，25.3mAh/cm2的面积容量，具有81.6MWh/cm2的面能量密度，远远超过目前最先进的3D打印电池。
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