3D打印技术展示及3D打印的电极实物照片

无人机、电动汽车、电动飞机等实现“长续航”，一直是人们热切期盼的事。然而，由于缺乏具有稳定“储能”与“供电”能力的电源系统，这一期待总是会落空。

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，苏州大学能源学院教授孙靖宇与中国科学院院士、北京大学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，为发展新型、高效、规模化的电极构筑方法提供重要借鉴。

相关研究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”

随着人类社会的发展，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发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。”论文共同通讯作者孙靖宇告诉《中国科学报》。但遗憾的是，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索性研究，努力寻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许多研究进展和成果，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，远远不能满足实际应用和商业化要求。

已有相关研究表明，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研究所研究员陈剑告诉《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。若扩散至负极，则与锂反应生成不溶性的硫化锂，锂被腐蚀，消耗活性物质，造成容量的不可逆损失，降低电池的循环寿命。

“抑制‘穿梭效应’是锂硫电池研究的关键之一，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，但还需要深入探索。”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研究。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打印技术通过控制打印层数实现控制电极材料负载量，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，可满足定制化和规模化储能器件的构筑需求。

“然而，面向能量存储应用领域的3D打印技术目前仍存在许多关键瓶颈，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索，以及缺乏规模化印刷装备等。”孙靖宇说。

研究人员借助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。

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