3D打印获取“长续航”锂硫电池 可推广至其他储能领域

———3D打印获取“长续航”锂硫电池可推广至其他储能领域无人机、电动汽车、电动飞机等实现“长续航”，始终是人们热切期盼的事。然而，由于缺乏具有稳定“储能”与“供电”力量的电源系统，这一期盼总是会落空。

值得欣慰的是，最近传来了好消息——利用3D打印技术或可助力解决“长续航”面临的瓶颈问题。

日前，苏州高校能源学院教授孙靖宇与中国科学院院士、北京高校教授刘忠范团队构建出3D打印硫正极，并获得了具有高倍率性能和高面容量的锂硫电池。相关技术还可推广到其他新兴的储能设备，为进展新型、高效、规模化的电极构筑方法供应重要借鉴。

相关讨论成果近日发表在国际能源领域高水平期刊《纳米能源》杂志上。

锂硫电池中的“穿梭效应”

随着人类社会的进展，人们对储能系统也提出了更高的要求。

锂硫电池因具有较高的理论能量密度、较低的电极材料成本，以及正极材料硫环境友好、资源丰富等优点，被认为是下一代最具进展前景的储能体系之一。

“锂硫电池在无人机、电动汽车及军用便携式电源领域有着巨大的产业应用前景。”论文共同通讯孙靖宇告知《中国科学报》。但圆满的是，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。

近年来，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，科研人员进行了大量探究性讨论，努力查找适合的硫宿主材料、黏合剂以及电解质。

虽然这些领域目前都取得了很多讨论进展和成果，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，远远不能满意实际应用和商业化要求。

已有相关讨论表明，导致现行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”。

中国科学院大连化学与物理讨论所讨论员陈剑告知《中国科学报》，所谓“穿梭效应”，即在锂硫电池的放电过程，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。若集中至负极，则与锂反应生成不溶性的硫化锂，锂被腐蚀，消耗活性物质，造成容量的不行逆损失，降低电池的循环寿命。

“抑制‘穿梭效应’是锂硫电池讨论的关键之一，最核心的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。这在原理上是可行的，但还需要深化探究。”陈剑说。

3D打印技术“加持”

3D打印技术自诞生以来，已经应用到医疗、军工、航天、汽车、电子等各个领域。此外，其在锂离子电池、锂氧电池、锌离子电池等储能体系中也得到了初步应用。

刘忠范和孙靖宇团队长期关注并开展烯碳能源材料及应用技术讨论。近年来，他们从3D打印技术中找到了新的突破思路和启示。

孙靖宇介绍，3D打印技术具有诸多优势，如有助于构建具有多级孔结构的自支撑无集流体电极，并利于离子和电子的快速传输。3D打印技术通过掌握打印层数实现掌握电极材料负载量，突破了常规涂覆法制备电极的厚度限制，从而可获得具有高单位面容量的电池系统。在实际应用方面，可满意定制化和规模化储能器件的构筑需求。

“然而，面对能量存储应用领域的3D打印技术目前仍存在很多关键瓶颈，比如电极的打印精度对设备配置提出更高的要求、打印墨汁的制备工艺亟待系统探究，以及缺乏规模化印刷装备等。”孙靖宇说。

讨论人员借助3D打印技术，便利、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/电子传输通道和充分的孔隙率，有利于对多硫化物进行高效管理。

为了更好地抑制上述所提到的“穿梭效应”，讨论人员对打印墨水也有着独特的设计。

孙靖宇介绍，近年来，业界对金属硼化物构建高性能锂硫电池具有深厚爱好。其中，具有类似性质的金属性六硼化镧（LaB6）作为一种低成本且可持续利用的化合物，已在诸多领域得到广泛使用。

基于此，他们设计了包含硫/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电催化剂可以匀称地分布在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。

“这对多硫化物的管控起到了乐观作用，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，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与策略。”刘忠范表示，该讨论工作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。

迈向有用化仍有“屏障”

近年来，新技术、新方法的不断革新，科技成果的加速转化，推动着高性能锂硫电池的有用化进展。陈剑团队与依托中国科学院大连化学与物理讨论所科技成果孵化的中科派思储能技术有限公司合作生产的锂硫电池组，目前已经在大翼展无人机、高速无人机上试飞胜利。

“这一锂硫电池的续航时间是同样重量锂离子电池的2.5倍。”陈剑说，将来需要进一步提高电池的循环次数，而要实现这一目标，还需要解决“穿梭效应”问题。

“在走向有用化和产业化进程中，锂硫电极方面还存在诸多关键问题需要解决。开发3D打印自支撑结构的硫正极值得关注。”刘忠范表示。

孙靖宇补充道，除了对高载量硫电极的规模化制备提出要求之外，还需要考虑三个方面的问题。

首先是正极碳含量。孙靖宇指出，为了解决硫的绝缘性问题，通常需要添加较多填量的导电碳来平衡，从而造成锂硫电池体积能量密度低。因此，为了获得高体积能量密度的锂硫电池，需要提高硫正极的振实密度及采纳少碳甚至无碳硫宿主。

其次是电解液用量。“由于硫正极的多孔性导致需要消耗大量电解液，为了获得高能量密度的锂硫电池，需要通过优化正极的孔结构，降低电解液的用量。”孙靖宇说。

此外，金属锂负极也是关键问题之一，即在规模化锂硫体系中，须实行抑制其枝晶生长策略等，保证锂负极的平安性。

“将来，作为该讨论的延长，我们盼望进展真正低碳乃至无碳、贫电解液、高载硫的锂硫电池系统。”孙靖宇说。

无人机、电动汽车、电动飞机等实现“长续航”，始终是人们热切期盼的事。然而，由于缺乏具有稳定“储能”与“供电”力量的电源系统，这一期盼总是会落空。

值得欣慰的是，最近传来了好消息——利用3D打印技术或可助力解决“长续航”面临的瓶颈问题。

日前，苏州高校能源学院教授孙靖宇与中国科学院院士、北京高校教授刘忠范团队构建出3D打印硫正极，并获得了具有高倍率性能和高面容量的锂硫电池。相关技术还可推广到其他新兴的储能设备，为进展新型、高效、规模化的电极构筑方法供应重要借鉴。

相关讨论成果近日发表在国际能源领域高水平期刊《纳米能源》杂志上。

锂硫电池中的“穿梭效应”

随着人类社会的进展，人们对储能系统也提出了更高的要求。

锂硫电池因具有较高的理论能量密度、较低的电极材料成本，以及正极材料硫环境友好、资源丰富等优点，被认为是下一代最具进展前景的储能体系之一。

“锂硫电池在无人机、电动汽车及军用便携式电源领域有着巨大的产业应用前景。”论文共同通讯孙靖宇告知《中国科学报》。但圆满的是，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。

近年来，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，科研人员进行了大量探究性讨论，努力查找适合的硫宿主材料、黏合剂以及电解质。

虽然这些领域目前都取得了很多讨论进展和成果，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，远远不能满意实际应用和商业化要求。

已有相关讨论表明，导致现行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”。

中国科学院大连化学与物理讨论所讨论员陈剑告知《中国科学报》，所谓“穿梭效应”，即在锂硫电池的放电过程，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。若集中至负极，则与锂反应生成不溶性的硫化锂，锂被腐蚀，消耗活性物质，造成容量的不行逆损失，降低电池的循环寿命。

“抑制‘穿梭效应’是锂硫电池讨论的关键之一，最核心的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。这在原理上是可行的，但还需要深化探究。”陈剑说。

3D打印技术“加持”

3D打印技术自诞生以来，已经应用到医疗、军工、航天、汽车、电子等各个领域。此外，其在锂离子电池、锂氧电池、锌离子电池等储能体系中也得到了初步应用。

刘忠范和孙靖宇团队长期关注并开展烯碳能源材料及应用技术讨论。近年来，他们从3D打印技术中找到了新的突破思路和启示。

孙靖宇介绍，3D打印技术具有诸多优势，如有助于构建具有多级孔结构的自支撑无集流体电极，并利于离子和电子的快速传输。3D打印技术通过掌握打印层数实现掌握电极材料负载量，突破了常规涂覆法制备电极的厚度限制，从而可获得具有高单位面容量的电池系统。在实际应用方面，可满意定制化和规模化储能器件的构筑需求。

“然而，面对能量存储应用领域的3D打印技术目前仍存在很多关键瓶颈，比如电极的打印精度对设备配置提出更高的要求、打印墨汁的制备工艺亟待系统探究，以及缺乏规模化印刷装备等。”孙靖宇说。

讨论人员借助3D打印技术，便利、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/电子传输通道和充分的孔隙率，有利于对多硫化物进行高效管理。

为了更好地抑制上述所提到的“穿梭效应”，讨论人员对打印墨水也有着独特的设计。

孙靖宇介绍，近年来，业界对金属硼化物构建高性能锂硫电池具有深厚爱好。其中，具有类似性质的金属性六硼化镧（LaB6）作为一种低成本且可持续利用的化合物，已在诸多领域得到广泛使用。

基于此，他们设计了包含硫/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电催化剂可以匀称地分布在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。

“这对多硫化物的管控起到了乐观作用，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，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与策略。”刘忠范表示，该讨论工作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。

迈向有用化仍有“屏障”

近年来，新技术、新方法的不断革新，科技成果的加速转化，推动着高性能锂硫电池的有用化进展。陈剑团队与依托中国科学院大连化学与物理讨论所科技成果孵化的中科派思储能技术有限公司合作生产的锂硫电池组，目前已经在大翼展无人机、高速无人机上试飞胜利。

“这一锂硫电池的续航时间是同样重量锂离子电池的2.5倍。”陈剑说，将来需要进一步提高电池的循环次数，而要实现这一目标，还需要解决“穿梭效应”问题。

“在走向有用化和产业化进程中，锂硫电极方面还存在诸多关键问题需要解决。开发3D打印自支撑结构的硫正极值得关注。”刘忠范表示。

孙靖宇补充道，除了对高载量硫电极的规模化制备提出要求之外，还需要考虑三个方面的问题。

首先是正极碳含量。孙靖宇指出，为了解决硫的绝缘性问题，通常需要添加较多填量的导电碳来平衡，从而造成锂硫电池体