美国研究者利用3D打印技术制造微电池 仅沙粒大小

风轻云淡

      美国《先进材料》杂志18日发表报告说，美国一项研究利用3D打印技术成功制成只有沙粒大小的3D微电池，而电化性能可媲美商用蓄电池。这样打印出的电极既保证了储能材料的数量，又让正极和负极之间的距离足够短，因此封装制成的３Ｄ微电池具有快速充放电能力，其面积能量密度和功率密度在目前３Ｄ微电池领域居于前列。而墨水为LFP和LTO。这种电池将来有望用于为微米乃至纳米器件提供能量。

　　据研究第一作者、美国伊利诺伊大学厄巴纳－尚佩恩分校在读博士生Ke Sun（孙苛）介绍，大约10年前美国科学家提出3D微电池的概念，过去的制备方法都基于较为成熟的微电子技术以及新兴微加工技术，不仅成本较高，而且迄今没有获得理想的成果；他们则转而采用方兴未艾的3Ｄ打印技术。

　　3Ｄ打印是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。

　　孙苛说，这项研究的一大难点在于制造用于打印的材料，即“墨水”。3Ｄ打印机的直径只有30微米，和一根头发丝的直径差不多，这要求“墨水”具有特殊的流变学性质。一个形象的比喻就是要求“墨水”像牙膏一样能在挤压中流动，从而从针管中流出，并能在空气中迅速稳定凝固成型。

　　“墨水”的主要成分必须是可作为电极使用的活性材料。为了打印微电极，他们开发并测试了几种特殊的“墨水”，能像电化材料那样，形成工作阳极和阴极，而且能像牙膏一样挤出，打印完成后硬化成像薄膜一样的薄层。他们用一种金属锂氧化物纳米粒子制造了阳极墨水，用另一种材料制造了阴极墨水，形成一种微小的、阳极和阴极紧密交错的多层堆叠结构，每层厚度比发丝还细。之后，把这些电极装在微小容器中，充入电解液就完成了。

　　经过多次尝试，研究人员最终通过胶体化学方法成功将磷酸铁锂和钛酸锂两种材料分别做成“墨水”，用作电池的正极和负极。然后，他们利用3Ｄ打印技术打印出梳子状的正极和负极并将它们交错排列成一层，再层层堆积获得宽度只有40微米、而高度是宽度11倍的电极。研究人员还对微电池存储和释放的电量、充电时间进行了检测。“在充放电率、循环寿命和电流强度方面，它们的电化性能可以和商用蓄电池媲美。我们只是把它缩小到了更小级别。

图片来源:Sun K, Wei T S, Ahn B Y, et al. 3D Printing of Interdigitated Li‐Ion Microbattery Architectures[J]. Advanced Materials, 2013, 25(33): 4539-4543.

注：美国期刊《Advanced Materials》是一影响力很大的专业期刊，刊登先进材料的制备、表征、工艺及性能等方面的高水平文章。