【原】利用3D打印技术实现钠离子电池的最高性能

AIpatent 2022-09-23 发布于上海

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摘要：日本的一个研究小组通过使用3D打印机制作出具有连续周期性的“碳微晶格”，将原本受限于固体中缓慢扩散的单位电极面积的容量提高了4倍，达到了世界最高水平的性能，此外，还通过X射线衍射法实现了对钠离子脱离嵌入的各阶段的可视化，有望开发出在性能方面与锂电池相媲美的钠离子电池。

关键字：3D打印技术、钠离子电池、三维多孔结构、碳微晶格、微晶格电极

要点

本研究重点为钠离子电池——一种使用丰富金属资源的蓄电装置
通过光固化3D打印机，制作了一种具有连续周期性的碳负极材料——“碳微晶格”，其单位电极面积的容量是传统产品的4倍
仅使用适合钠离子充放电的硬碳组成微晶格负极，并证实了使用X射线衍射法可以实现对钠离子脱离嵌入的各阶段的清晰的可视化

概要

近来，从化石燃料向可再生能源进行转换成为趋势，但确保制造可再生能源储存设备所需的资源成为了新的挑战。目前，最流行的蓄电设备是锂离子电池，但其生产需要锂和钴等资源，而这些资源产地及储量均有限。

作为下一代的蓄电设备，日本正在研究锂以外的各种金属离子。对于四面环海的日本来说，可以利用海水中丰富资源的钠离子电池在确保资源方面具有优势。然而，现阶段钠离子电池的能量密度和输出密度远不如锂离子电池。为进一步提高性能，人们强烈希望开发出一种全新的材料。

此次，研究小组使用3D打印机制作出具有连续周期性的“碳微晶格”，该碳微晶格由硬碳组成，适合用作钠离子电池负极。晶格中的空隙可实现高速离子传输，将原本受限于固体中缓慢扩散的单位电极面积的容量提高了4倍，达到了世界最高水平的性能。

研究背景和经过

近年来，全球范围内正在进行可再生能源利用的相关研究，以期摆脱对化石燃料的依赖。回收太阳能、风能和地热能等能源的环境发电也开始被利用，但都需要能源储存设备。本研究针对作为下一代蓄电池的有希望候选之一的钠离子电池，采用3D打印技术制作了具有周期性连续多孔结构的碳电极，以提高其性能。

目前，最流行的储能设备之一是锂离子电池，其在便携式电子设备、电动汽车和建筑物电力储存方面的需求正在不断增加。结果造成作为锂的主要原材料的碳酸锂的价格在过去两年间上涨了16倍，为摆脱化石燃料带来了新的担忧。因这一担忧，人们提出了使用锂以外的镁、钙、铝的金属离子电池。除此之外，源自丰富海洋资源的钠离子电池对于严重依赖能源进口的日本来说也是极具吸引力的选择。

电池的容量取决于电极中可以填充多少离子。然而，由于电极材料内部的离子移动速度缓慢，即使将传统的薄膜/颗粒状电极加厚也无法实现高效的电极材料，为了同时实现高电容和高输出，唯一的方法是堆叠电池。

如果能够实现在微尺度（1～100μm）下控制的连续三维离子扩散路径，使金属离子可以高速进出整个电极，不仅可以在不影响输出的情况下增加单个电池的容量，而且与堆栈结构相比，还可以降低生产成本。近年来，3D打印技术作为一种在计算机上设计和引入这种连续三维结构的方法备受关注。

研究成果

本研究采用光固化3D打印机中最廉价的液晶掩模类型，制作了具有连续三维结构的光固化树脂的前驱体。将其在真空1000℃下进行热处理，在保持设计结构的同时收缩60%，可以获得由100~300µm的结构单元组成的碳微晶格。将它们用作钠离子电池的负极，确认了结构单元越微细，则充放电特性越好。此外，与传统的粉末颗粒电极相比，结构最精细的微晶格能够将单位面积的容量提高多达4倍。

此次制作的碳微晶格具有一种被称为硬碳的结构，其不像石墨那样具有结晶性，在众多金属离子电池候选中，它与钠离子的充放电具有极好的兼容性。利用这一特性，研究小组成功地在充放电的各个阶段对电极进行了回收和清洗，并通过X射线衍射法，对钠离子的嵌入对硬碳内部结构的影响进行了可视化。有望开发出在性能方面与锂电池相媲美的钠离子电池。