中南大学潘安强教授Energy Storage Materials综述：3D打印锂金属二次电池

【成果简介】

为了维持经济和社会的可持续发展，能源和环境问题变得更加突出。随着科技爆炸式发展，人们对储能有了更高的需求，商业化的石墨负极理论容量低，已然限制了锂离子电池体系的能量密度提升，无法满足现代社会对高比能电池的需求。锂金属二次电池因其比能量高，成为下一代储能电池的热门选择。然而，锂金属电池中几乎所有组件都面临着实际挑战，主要集中在锂金属负极上，包括沉积不均匀，枝晶生长、体积膨胀大和SEI膜不稳定等，严重的损害了电池的安全性及循环寿命，限制着锂金属电池的商业应用。传统锂金属电池制造技术在控制组件的几何形状和结构方面存在一些局限性，限制来电池的性能。3D打印作为一种新型制造技术，它可以无需依赖任何模板精确控制从微观到宏观的形状与结构，从而提高电池的能量密度和功率密度。

近日，中南大学材料科学与工程潘安强教授围绕“3D打印锂金属二次电池”主题，在国际著名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“3D printing for rechargeable lithium metal batteries”的综述文章，周双博士为论文第一作者。文章结合锂金属二次电池所面临困境以及3D打印锂金属电池的独特优势，总结了目前具有代表性的3D打印技术，回顾了3D打印技术在锂金属电池各组件的应用进展并对3D打印锂金属二次电池的设计原理和实际挑战进行了总结与展望。

图1. 3D打印锂金属二次电池的主要技术及各组件应用示意图

【文章亮点】

1. 从机理层面分析并总结了3D打印在锂金属电池各组分中的优势。

2. 总结和对比了四种代表性的3D打印锂金属电池技术（IJP, DIW, FDM, SLA）的特点，建立了打印组分与打印技术之间相互联系。

3. 总结3D打印技术在锂金属电池各组件的应用进展，并给出了3D打印组件需要实现的基本目标。

4. 汇总了3D打印锂金属电池目前面临的挑战和未来的发展方向。

【图文导读】

图2.3D打印锂金属二次电池总结与展望

3D打印锂金属电池的优势：

正极设计：3D打印可精确的设计正极电极结构，实现二维电极转为三维电极可控转变，可提高电极表面活性，缩短离子传输距离，实现高载量正极制备。

结构化负极： 通过3D打印构筑结构化锂金属负极，可增大电极的比表面积，将总电场均匀地分布在整个多孔电极中，达到降低有效电流密度，均匀沉积和抑制电极体积膨胀的目的，从而提高电池的循环稳定性与安全性。

隔膜/固态电解质设计：3D打印隔膜可实现隔膜结构合理化设计，从而均匀的离子通量，减少锂枝晶的形成。为了使固态锂电池也获得高的离子电导率，通常需要将固体电解质掺入正极的活性材料中，这种固-固结合的界面必须是无缝且具有足够的灵活性，以满足充放电过程中所造成的几何变化。3D打印可精细优化界面结构，满足固态锂金属电池中严苛固-固界面要求。

3D打印锂金属电池挑战与未来：

目前3D打印锂金属电池存在许多挑战，包括原材料选择范围小，不同组件打印的兼容性差，严格电池组装条件，打印精度低等问题，未来应该探索多样化打印原材料，开发更先进的3D打印技术或者联合其他先进技术以提高打印的精度和效率，简化打印后处理过程。同时在打印电池器件方面，可开发固态锂金属全电池一体化设计，探索特殊定制应用（如：柔性，可穿戴及不规则图案锂金属电池）。

Shuang Zhou, Ibrahim Usman, Yijiang Wang, Anqiang Pan, 3D printing for rechargeable lithium metal batteries, Energy Storage Materials, 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.02.041