近日，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳中帥教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)了具有高能量密度、長壽命的全3D打印鋰金屬電池，這項研究發(fā)表在《儲能材料》上。

這款鋰金屬電池采用多孔導(dǎo)電Ti3C2Tx MXene骨架作為高容量、無枝晶的鋰金屬負極，采用多維導(dǎo)電LiFePO 4 (LFP) 晶格作為超厚正極。

鋰金屬電池被認為是超越當前最先進的鋰離子電池的下一代高能量電池。然而，由于其存在不可控的鋰枝晶、死鋰，以及充放電過程鋰金屬體積膨脹等問題，導(dǎo)致鋰金屬循環(huán)性能差，安全性能低，限制了鋰金屬負極在高比能鋰金屬電池中的實際應(yīng)用。

此外，傳統(tǒng)的刮涂法制備出的正極活性物質(zhì)載量有限（20mg/cm2），面積容量往往低于4mAh/cm2，使得鋰金屬電池的面積能量密度較低。因此，如何同時獲得穩(wěn)定的無枝晶鋰負極和匹配的高載量正極，以實現(xiàn)長壽命和高能量密度的鋰金屬電池，仍面臨挑戰(zhàn)。

在這項研究中，研究人員報告了一種用于構(gòu)建超高性能鋰金屬電池的全3D打印方法，通過3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉積的鋰金屬負極與超厚磷酸鐵鋰框架正極。

研究發(fā)現(xiàn)，MXene導(dǎo)電骨架的親鋰特性能夠調(diào)節(jié)局部電流分布，均勻化鋰成核與沉積，形成均勻的富LiF固體電解質(zhì)界面層和穩(wěn)定的鋰/電解質(zhì)界面，實現(xiàn)了高容量（30mAh/cm2）、高穩(wěn)定（＞4800h循環(huán)）且無枝晶的鋰金屬負極。3D打印磷酸鐵鋰電極（載量171mg/cm2）具有三維多孔導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)，促進了電子傳輸動力學(xué)速率，降低了厚電極中的離子傳輸距離，提高了活性材料的利用率，從而有效地提高了鋰金屬電池的電化學(xué)性能。

所匹配的鋰金屬全電池（鋰負極過量50%）表現(xiàn)出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度，超過了迄今為止報道的所有3D打印電池。

據(jù)資源庫的了解，這項研究通過3D打印同時解決了鋰金屬負極不穩(wěn)定和正極面容量較低的問題，為研制長壽命、高比能鋰金屬電池提供了一條可行的途徑。同時，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項和中科院大連清潔能源國家實驗室的資助。

近日，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳中帥教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)了具有高能量密度、長壽命的全3D打印鋰金屬電池，這項研究發(fā)表在《儲能材料》上。

這款鋰金屬電池采用多孔導(dǎo)電Ti3C2Tx MXene骨架作為高容量、無枝晶的鋰金屬負極，采用多維導(dǎo)電LiFePO 4 (LFP) 晶格作為超厚正極。

鋰金屬電池被認為是超越當前最先進的鋰離子電池的下一代高能量電池。然而，由于其存在不可控的鋰枝晶、死鋰，以及充放電過程鋰金屬體積膨脹等問題，導(dǎo)致鋰金屬循環(huán)性能差，安全性能低，限制了鋰金屬負極在高比能鋰金屬電池中的實際應(yīng)用。

此外，傳統(tǒng)的刮涂法制備出的正極活性物質(zhì)載量有限（20mg/cm2），面積容量往往低于4mAh/cm2，使得鋰金屬電池的面積能量密度較低。因此，如何同時獲得穩(wěn)定的無枝晶鋰負極和匹配的高載量正極，以實現(xiàn)長壽命和高能量密度的鋰金屬電池，仍面臨挑戰(zhàn)。

在這項研究中，研究人員報告了一種用于構(gòu)建超高性能鋰金屬電池的全3D打印方法，通過3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉積的鋰金屬負極與超厚磷酸鐵鋰框架正極。

研究發(fā)現(xiàn)，MXene導(dǎo)電骨架的親鋰特性能夠調(diào)節(jié)局部電流分布，均勻化鋰成核與沉積，形成均勻的富LiF固體電解質(zhì)界面層和穩(wěn)定的鋰/電解質(zhì)界面，實現(xiàn)了高容量（30mAh/cm2）、高穩(wěn)定（＞4800h循環(huán)）且無枝晶的鋰金屬負極。3D打印磷酸鐵鋰電極（載量171mg/cm2）具有三維多孔導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)，促進了電子傳輸動力學(xué)速率，降低了厚電極中的離子傳輸距離，提高了活性材料的利用率，從而有效地提高了鋰金屬電池的電化學(xué)性能。

所匹配的鋰金屬全電池（鋰負極過量50%）表現(xiàn)出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度，超過了迄今為止報道的所有3D打印電池。

據(jù)資源庫的了解，這項研究通過3D打印同時解決了鋰金屬負極不穩(wěn)定和正極面容量較低的問題，為研制長壽命、高比能鋰金屬電池提供了一條可行的途徑。同時，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項和中科院大連清潔能源國家實驗室的資助。