為了維持經濟和社會的可持續發展，能源和環境問題變得更加突出。隨着科技爆炸式發展，人們對儲能有了更高的需求，商業化的石墨負極理論容量低，已然限制了鋰離子電池體系的能量密度提升，無法滿足現代社會對高比能電池的需求。鋰金屬二次電池因其比能量高，成為下一代儲能電池的熱門選擇。然而，鋰金屬電池中幾乎所有組件都面臨着實際挑戰，主要集中在鋰金屬負極上，包括沉積不均勻，枝晶生長、體積膨脹大和SEI膜不穩定等，嚴重的損害了電池的安全性及循環壽命，限制着鋰金屬電池的商業應用。傳統鋰金屬電池製造技術在控制組件的幾何形狀和結構方面存在一些侷限性，限制來電池的性能。3D打印作為一種新型製造技術，它可以無需依賴任何模板精確控制從微觀到宏觀的形狀與結構，從而提高電池的能量密度和功率密度。
近日，中南大學材料科學與工程潘安強教授圍繞“3D打印鋰金屬二次電池”主題，在國際著名期刊Energy Storage Materials上發表了題為“3D printing for rechargeable lithium metal batteries”的綜述文章，周雙博士為論文第一作者。文章結合鋰金屬二次電池所面臨困境以及3D打印鋰金屬電池的獨特優勢，總結了目前具有代表性的3D打印技術，回顧了3D打印技術在鋰金屬電池各組件的應用進展並對3D打印鋰金屬二次電池的設計原理和實際挑戰進行了總結與展望。
3D打印二次鋰電池優勢與展望
文章亮點
1. 從機理層面分析並總結了3D打印在鋰金屬電池各組分中的優勢。
2. 總結和對比了四種代表性的3D打印鋰金屬電池技術(IJP, DIW, FDM, SLA)的特點，建立了打印組分與打印技術之間相互聯繫。
3. 總結3D打印技術在鋰金屬電池各組件的應用進展，並給出了3D打印組件需要實現的基本目標。
4. 彙總了3D打印鋰金屬電池目前面臨的挑戰和未來的發展方向。
3D打印鋰金屬電池的優勢：
正極設計：3D打印可精確的設計正極電極結構，實現二維電極轉為三維電極可控轉變，可提高電極表面活性，縮短離子傳輸距離，實現高載量正極製備。
結構化負極： 通過3D打印構築結構化鋰金屬負極，可增大電極的比表面積，將總電場均勻地分佈在整個多孔電極中，達到降低有效電流密度，均勻沉積和抑制電極體積膨脹的目的，從而提高電池的循環穩定性與安全性。
隔膜/固態電解質設計：3D打印隔膜可實現隔膜結構合理化設計，從而均勻的離子通量，減少鋰枝晶的形成。為了使固態鋰電池也獲得高的離子電導率，通常需要將固體電解質摻入正極的活性材料中，這種固-固結合的界面必須是無縫且具有足夠的靈活性，以滿足充放電過程中所造成的幾何變化。3D打印可精細優化界面結構，滿足固態鋰金屬電池中嚴苛固-固界面要求。
3D打印鋰金屬電池挑戰與未來：
目前3D打印鋰金屬電池存在許多挑戰，包括原材料選擇範圍小，不同組件打印的兼容性差，嚴格電池組裝條件，打印精度低等問題，未來應該探索多樣化打印原材料，開發更先進的3D打印技術或者聯合其他先進技術以提高打印的精度和效率，簡化打印後處理過程。同時在打印電池器件方面，可開發固態鋰金屬全電池一體化設計，探索特殊定製應用(如：柔性，可穿戴及不規則圖案鋰金屬電池)。
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
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