石墨烯要怎么樣與3D打印將顛覆鋰電池行業

　　

　　石墨烯和3D打印的概念大家都不生疏，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對華為的石墨烯進行解讀，但是這并不阻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創新的典范、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，不僅僅是傳統的塑料類材質，甚至一些金屬類材料也可以打印，使用范疇也從民用，擴展到工業和航空范疇，在一些飛機發動機加工中就使用到了3D打印技術，用于一些復雜形狀的零部件的加工，極大的提高了產品的成品率，降低了出產難度。

　　那么這兩種高端技術如果使用在鋰電池會萌生什么顛覆性的效果呢？嚴格的意義上，鋰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打印技術的快速發展，讓許多往日無法實現的設想成為實際，想象以下，有一天當你需要一枚鋰電池時，你只需要從網上下載設計方案，導入到3D打印機里，就可以筆直獲得一枚完整的鋰電池，是否很炫酷？

　　近日，美國馬里蘭大學－帕克分校的KunFu等人就為這一美妙的愿望插上了翅膀，讓它從夢想飛入實際。KunFu設計了一款實用3D打印技術制備的全固態鋰電池，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電解質。3D打印最緊要的自然就是墨水了，打印鋰電池的墨水就是正極、負極和電解液，KunFu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，更加綠色環保、安全和廉價。

　　KunFu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，依據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，然后經過熱解決，使氧化石墨烯GO轉變為還原石墨烯，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呈現出規矩排列，加強了電子導電性，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，流變特性是最為緊要的屬性，這將筆直影響打印效果，對GO，LFP／GO，LTO／GO體系研究發現，三者的流變特性曲線幾乎一致，聲明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。存儲試驗聲明，在長達四周的時間內，漿料的粘度僅有輕微的上升，漿料依然保持了剪切變稀的特性，表觀粘度依然維持在了100－1000Pa的范圍內，這聲明該用于3D打印的墨水，具有良好的儲存特性。

　　當然對于一款鋰電池來說，最為緊要的還是電化學性能。電化學探測聲明，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185mAh／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。在倍率性能探測中，發現LTO負極的倍率性能，要分明低于LFP正極的倍率性能，這主要是兩個方面的原由造成的，首先LTO的電子電導率要低于LFP材料（6.1和31.6S／cm），其次LTO顆粒藥分明大于LFP（200和50nm），這影響了Li＋的擴撒和電荷交換。

　　3D打印技術最大的優點能夠依據需求定制具有特殊形狀的電池，例如在一些微型機器人范疇，傳統的鋰電池技術，無法加工微型和特殊形狀的鋰電池，而3D打印技術就不存在這一問題，可以極大擴展鋰電池的使用范疇。

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