《Energy Storage Materials》：3D打印超高能量密度的锂金属电池

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发布时间：2023-06-14 18:14
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2022年10月17日，中科院等多家单位的研究人员联合在《Energy Storage Materials》上发表题为All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density的研究论文，报道了采用3D打印策略开发了多孔导电的Ti3C2TX MXene支架，用于构建具有循环稳定性和超高面能量密度的全3D打印锂金属电池。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.036

研究简介

锂金属电池(LMBs)的复兴彻底改变了当前的锂离子电池技术，但锂枝晶生长、低库仑效率、负极不匹配、缓慢的动力学等技术瓶颈导致其循环性差以及能量密度低，阻碍了其实际应用。本文提出了3D打印导电Ti3C2TX MXene支架和多孔LiFePO4晶格，以构建具有长寿命和高能量密度的高质量负载LMBs。Ti3C2TX独特的亲锂特性实现了金属Li的均匀沉积，使稳定的MXene支架在30 mA/cm2下实现了30 mAh/cm2的面积容量及4800小时的超长循环寿命。

通过将这种无枝晶MXene基锂阳极和具有171 mg/cm2超高质量负载的分层导电LiFePO4框架进行合理匹配，可以组装出完整的电池。组装后的LMBs具有前所未有的25.3 mAh/cm2的面容量、创纪录的81.6 mWh/cm2的面能量密度，同时实现了500次循环的稳定性，突破了厚膜阴极的限制，这为合理制造先进的lmb提供了可行的策略。

研究内容解读

本研究通过3D打印策略开发了多孔导电的Ti3C2TX MXene骨架，用于无枝晶且稳定的Li阳极，并采用多维导电的LiFePO4 (LFP)晶格作为超厚阴极，以共同构建具有循环稳定性和超高面能量密度的全3D打印锂金属电池。

其中，高浓度MXene墨水具有~10⁵Pa·s的高表面粘度和适当的屈服应力(3990 Pa)，这有利于3D打印轮廓清晰的图案电极。所得到的导电多孔网络不仅使Li离子通量和局部电流分布均匀，而且Ti3C2TX MXene的亲锂O和F基团可以与Li离子反应形成均匀的SEI膜，有效地指导金属Li的均匀成核和生长，抑制Li枝晶，从而实现了超过4800小时的超长循环寿命和高倍率性能。

此外，3D打印的超厚(~3100 μm) LFP阴极具有171 mg/cm2的超高质量负载，且具有三维分层导电网络和丰富的孔隙结构，并与无枝晶MXene@Li阳极一起用于构建先进的LFP。

值得注意的是，该全3D打印锂金属电池具有低锂过剩容量(50%过剩容量)，这大大增强了循环稳定性，并达到前所未有的25.3 mAh/cm2面积容量和81.6 m Wh/cm2的面能量密度，这远远超过了当下最先进的3D打印电池。