中國粉體網(wǎng)訊  石墨烯和3D打印的概念大家都不陌生,，特別是前一段時間，華為的石墨烯電池事件更是讓石墨烯站上了風口浪尖,，雖然事件的相關方面紛紛澄清,，各路媒體也使盡渾身解數(shù)對華為的石墨烯進行解讀，但是這并不妨礙廣大的圍觀群眾對華為的石墨烯電池津津樂道,，品頭論足,，一時間華為被廣大群眾奉為中國企業(yè)創(chuàng)新的典范、技術先鋒,，出盡風頭,。3D打印技術也在近年如雨后春筍一般快速崛起，不僅僅是傳統(tǒng)的塑料類材質,，甚至一些金屬類材料也可以打印,，應用領域也從民用,，擴展到工業(yè)和航空領域，在一些飛機發(fā)動機生產(chǎn)中就使用到了3D打印技術,，用于一些復雜形狀的零部件的生產(chǎn),，極大的提高了產(chǎn)品的成品率，降低了加工難度,。

那么這兩種高端技術如果應用在鋰離子電池會產(chǎn)生什么顛覆性的效果呢,？嚴格的意義上，鋰離子電池的電極涂布是一種“2.5D打印技術”,，因為電極涂布過程可以控制厚度,，但是無法控制形狀，整個涂布機實際上就是一臺巨大的打印機,。3D打印技術的快速發(fā)展,，讓許多以前無法實現(xiàn)的設想成為現(xiàn)實，想象以下,，有一天當你需要一枚鋰離子電池時,，你只需要從網(wǎng)上下載設計方案，導入到3D打印機里,，就可以直接獲得一枚完整的鋰離子電池,，是不是很炫酷？

近日,，美國馬里蘭大學-帕克分校的Kun Fu等人就為這一美好的愿望插上了翅膀,，讓它從夢想飛入現(xiàn)實。Kun Fu設計了一款實用3D打印技術制備的全固態(tài)鋰離子電池,，該電池的尺寸為7*3mm,，正負極的重量分別為3.8mg和3.9mg，,，電解質采用了聚合物全固態(tài)電解質,。3D打印最重要的自然就是墨水了，打印鋰離子電池的墨水就是正極,、負極和電解液，Kun Fu采用水和高濃度的氧化石墨烯GO,，與正極,、負極活性物質作為打印正負極的墨水，電解液采用聚合物電解質,。氧化石墨烯GO的加入顯著提升了電極的導電性,，提升了3D打印電池的性能。水系溶液體系,，更加綠色環(huán)保,、安全和廉價,。

Kun Fu設計的電池，正負極分別采用了磷酸鐵鋰LFP和鈦酸鋰LTO,，打印過程是通過噴嘴首先噴出細絲,，根據(jù)設定好的程序一層一層的鋪在基板上，然后采用冷凍干燥,，以除去其中的水分和固化結構,，然后經(jīng)過熱處理，使氧化石墨烯GO轉變?yōu)檫�原石墨烯,，最后在正負極之間的間隙內填入聚合物電解質,，就完成了3D打印電池的制作。在電極中,，由于剪切力的作用氧化石墨烯GO呈現(xiàn)出規(guī)則排列,，增強了電子導電性，此外氧化石墨烯GO的多孔結構也為LFO或者LTO和電解液提供了大量的附著點,。

當然對于一款用于3D打印的墨水,，流變特性是最為重要的屬性，這將直接影響打印效果,，對GO,，LFP／GO，LTO／GO體系研究發(fā)現(xiàn),，三者的流變特性曲線幾乎一致,，表明LFO、LTO對漿料的流變特性影響不大,。并且漿料具有很高的表觀粘度,，在1/s的剪切速度下，漿料的粘度為100-1000Pa,，者有利于復雜結構的打印和設計,。存儲實驗表明，在長達四周的時間內,，漿料的粘度僅有輕微的上升,，漿料仍然保持了剪切變稀的特性，表觀粘度仍然維持在了100-1000Pa的范圍內,，這表明該用于3D打印的墨水,，具有良好的儲存特性。  

當然對于一款鋰離子電池來說,，最為重要的還是電化學性能,。電化學測試表明，LFO/GO半電池在10mA／g的電流密度下,，充放電容量分別達到168和164mAh/g,，十分接近LFP的理論比容量170mAh/g,。LTO／GO半電池在10mA／g的電流密度下充放電容量分別達到184和185 mAh/g，這甚至要高于LTO的理論比容量175mAh/g,，這可能是還原氧化石墨烯的貢獻,。在倍率性能測試中，發(fā)現(xiàn)LTO負極的倍率性能,，要明顯低于LFP正極的倍率性能,，這主要是兩個方面的原因造成的，首先LTO的電子電導率要低于LFP材料（6.1和31.6S／cm）,，其次LTO顆粒藥明顯大于LFP（200和50nm）,，這影響了Li+的擴撒和電荷交換。

3D打印技術最大的優(yōu)勢能夠根據(jù)需求定制具有特殊形狀的電池,，例如在一些微型機器人領域,，傳統(tǒng)的鋰離子電池技術，無法生產(chǎn)微型和特殊形狀的鋰離子電池,，而3D打印技術就不存在這一問題,，可以極大擴展鋰離子電池的應用領域。