通过3D打印来制备高性能锂金属微电池

2019年的诺贝尔化学奖授予了 John B. Goodenough,  M. Stanley Whittingham,  Akira Yoshino，以表彰他们在锂电池领域的贡献。

锂电池已经深入到我们日常生活的方方面面，这个领域能获奖也是众望所归。今天我们就来给大家简单聊聊锂电池里面的历史。

人类社会的发展离不开能源，几次工业革命的发展都依赖于储能技术的发展。今天，锂离子电池为全世界提供着电力，从智能手机到电动汽车，锂离子电池已经无处不在，它为日益机动的世界扫平了障碍。与其他商业化的可充放电池相比，锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽和安全可靠等优点，成为了各国科学家努力研究的重要方向。

不同的电池技术在体积和重量能量密度方面的对比

锂离子电池是一种二次电池（可充电电池），主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成。在电池内部，带电的原子，也被称为离子，沿着两个电极之间的路径运动，并产生电流。锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液传输至负极，电子由负极经外电路转移至正极；而在放电过程中，锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。在当前*常见的一种可反复充放电的锂离子电池中，其正极是钴酸锂材料，负极是碳材料。

正在充电的锂离子电池

1912年，锂金属电池*早由吉尔伯特·牛顿·路易士（Gilbert N. Lewis）提出并研究，但由于锂金属的化学性质非常活泼，使得锂金属的加工、保存和使用对环境要求非常高，使得锂电池长期没有得到应用。

锂离子电池的基本概念，始于1972年米歇尔·阿曼德（M. Armand）等提出的“摇椅式”电池（rocking chair battery）。在锂离子电池的研究中，正负极材料的研发，是锂离子电池发展的关键所在。

商业锂离子电池正负极材料的示意图、主要发明人、发明时间

通过3D打印来制备高性能锂金属微电池

 过3D打印技术制作电池具有独特的优势，例如产品小型化、可自主成型和可控制宏微观结构等。然而，由于金属锂的打印比较困难，3D打印金属锂电池（LMBs）还没有研制成功。

美国西北大学的Cao博士团队首次通过使用纤维素纳米纤维（CNF）的3D打印技术制造出高性能的锂金属微电池（LMB），该纤维是地球上最丰富的生物聚合物之一，如图1。CNF水溶液具有天然独特的剪切稀化特性，是3D打印油墨的理想候选材料。首先，当CNF溶解在水中时，每个纤维素分子上丰富的羟基（每个重复单元6个）在单个纤维之间以及与水分子之间形成强氢键。这种强氢键造成了高保水率（高达98%），并赋予油墨独特的粘弹性性能；其次，由于CNF具有极高的负zeta电位（≈60mv），它可以作为表面活性剂帮助分散水溶液中的其他材料。由于这两个特性，CNF可以用作增粘剂，优化其他材料的印刷性能。并且纳米纤维素具有较高的杨氏模量,约为145-150GPa，这有利于在去除作为支架材料的水后保持结构的完整性。

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