智能家居科技|3D打印可为锂硫电池“长续航”加码随着可再生能源供应的不断增长

随着可再生能源供应的不断增长，低碳化、电气化已成为能源电力发展的主要趋势。在这一大背景下，电动汽车、电动飞机期盼能实现更长的续航里程。然而，由于缺乏具有稳定“储能”与“供电”能力的电源系统，这一愿望想要真正实现并不是一朝一夕的事情。
尽管锂电池目前已经被大规模商业化，然而锂电池的实际性能已逐渐接近理论极限，成为能源相关产业进一步发展的“瓶颈” 。具有较高的理论能量密度、较低的电极材料成本，以及正极硫材料环境友好、资源丰富等优点的锂硫电池受到了广泛的关注，其在电动汽车、无人机及军用便携式电源领域有着广泛的产业应用前景，被认为是下一代最具发展前景的储能技术之一。
前景是光明的，道路是曲折的。由于硫及其放电产物导电率低、多硫化物穿梭以及反应动力学缓慢，导致硫的利用率低、循环稳定性和倍率性能差。为了提高活性材料硫的利用率、改善锂硫电池的电化学性能，近年来科研人员进行了大量的探索与研究，积极寻找着适合的硫宿主材料、黏合剂以及电解质。

文章图片
（来源：苏州大学能源学院）
目前，这些领域的许多研究已经取得了一些成果，但大部分锂硫电池体系仍存在硫负载量低、面容量低、电解液使用过量等问题，远远不能满足实际应用和商业化要求。已有相关研究表明，导致锂硫电池能量密度不足、电池循环寿命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效应” 。
多硫化物的“穿梭效应” ，即在锂硫电池的放电过程中，硫的电化学还原是两电子、多步骤的反应，反应生成多硫化物（Li2Sx）中间产物，可溶解于醚类电解液；若扩散至负极，则与锂反应生成不溶性的硫化锂，锂继而被腐蚀并消耗活性物质，造成容量的不可逆损失，从而降低电池的循环寿命。
而抑制“穿梭效应”是锂硫电池研究的关键领域之一，其核心就是如何使其反应中生成的长链多硫化物束缚在硫正极侧，或从根本上抑制多硫化物的产生。虽然这在原理上是可行的，但还需要进行进一步的探索研究。
日前，苏州大学能源学院、中国科学院、北京大学的研究人员首次将高效电催化剂引入可打印墨汁中构建3D打印硫正极，获得了具有高倍率性能和面容量的锂硫电池，相关研究成果已发表于《纳米能源》杂志。据称，相关技术还可推广到其他新兴的储能设备领域，为发展新型、高效、规模化的电极构筑方法提供重要借鉴。

文章图片
基于3D打印技术构筑高导电性硫正极（来源：苏州大学能源学院）
3D打印技术自诞生以来，已经广泛应用于医疗、军工、航天、汽车、电子、机械、建筑等多个领域。同时，它在锂电池、锂氧电池、锌电池等储能系统中也得到了初步应用。在长期关注并开展烯碳能源材料及应用技术研究的基础上，近年来该研究团队从3D打印技术中找到了新的思路。
3D打印技术有助于构建多级孔结构的自支撑无集流体电极，并利于离子和电力的快速传输。他们指出，将3D打印技术这一优势运用到锂硫电池中，通过控制打印层数实现控制电极材料的负载量，可突破常规涂覆法制备电极的厚度限制，从而获得具有高单位面容量的电池系统；在实际应用方面， 3D打印技术还可满足定制化和规模化储能器件的构筑需求。
研究人员利用3D打印技术，方便、高效、便捷地构筑了高负载硫正极，该架构具有经过优化的离子/电子传输通道和充足的孔隙率，有利于对多硫化物进行高效管理。同时，为了更好地抑制“穿梭效应” ，研究人员设计了包含硫/碳和LaB6电催化剂的混合墨汁，用于打印高性能的硫正极。金属性LaB6电催化剂可以均匀地分布在3D打印的架构内，自发地确保有丰富的活性位点用于多硫化物的固定和转化，从而实现高效率的放电或充电过程。