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上升，低碳化、电气化已成为能源电力发展的重要趋势。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。

尽管锂离子电池目前已经被大规模商业化，然而锂离子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。

（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出现。虽然这在原理上是可行的，但还要进行进一步的探索研究。

日前，苏州大学能源学院、我国科学院、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供应重要借鉴。

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、、航天、汽车、电子、机械、建筑等多个领域。同时，它在锂离子电池、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。

基于3D打印构筑硫正极的动力学表征

（来源：苏州大学能源学院）

研究人员表示，这对多硫化物的管控起到了积极用途，能更加有效地抑制’穿梭效应’，从而获得具有优异性能的锂硫电池体系。同时，这也为设计锂硫电池的正极结构和提升硫正极的反应动力学供应了新的思路。

据悉，该研究团队此前孵化的锂硫电池的续航时间是同样重量锂离子电池的2.5倍，且目前已经在大翼展无人机、高速无人机上试飞成功。然而面向能量存储应用领域的3D打印技术还存在许多关键“瓶颈”待突破，如电极的打印精度对设备配置提出了更高的要求，打印墨汁的制备工艺亟待系统探索，缺乏规模化印刷装备等。同时，在该技术逐渐走向实用化和产业化过程中，须开发3D打印自支撑结构的硫正极，从而实现高载量硫电极的规模化制备。

研究人员指出，要真正实现低碳乃至无碳、贫电解液、高载硫的锂硫电池系统，还有许多问题要解决。例如，为了获得高体积能量密度的锂硫电池，要提高硫正极的密度，并采用少碳甚至无碳宿主；由于硫正极的多孔性导致要消耗大量电解液，因此要通过优化正极的孔结构，以降低电解液的用量；在规模化生产锂硫电池体系中，须采取抑制其枝晶生长的策略等，以保证锂负极的安全性等等。