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神来之笔——3D打印下的Li-S正极材料

神来之笔——3D打印下的Li-S正极材料

近些年,3D打印 (3DP) 技术在学术和行业中引起了极大的关注,它可以准确地制造出具有广泛应用于电子和能量存储的各种复杂架构。在3D打印技术系列中,挤出型3D打印(“直接墨水书写”) 通过选择各种油墨材料(如陶瓷) 不仅能快速组装任意的3D结构且成本较低。 聚合物和液态金属在典型的基于挤出3D印刷过程中,墨水通过喷嘴连续挤出,该喷嘴可以逐层构建良好的骨架。因此,探索具有高粘度和剪切稀化特性的合适油墨是至关重要的。

然而到目前为止,大多数研究集中在开发具有油墨性质的氧化石墨烯(GO)及其构筑对象,如纳米线、微晶格和周期性支架。 很少有研究利用3D打印技术来构建基于石墨烯或含石墨烯的能量储存骨架。

 在这里,航空航天大学的杨树彬教授等人通过基于挤出型3D打印的方法,开创性的设计出具有周期性微晶格的3D硫磺共聚物-石墨烯结构(3DP-pSG)印刷油墨由S颗粒、1,3-二异丙烯基苯(DIB) 和冷凝的GO分散体组成,由于具有高粘度和剪切稀化性能使其印刷成为了可能。

神来之笔——3D打印下的Li-S正极材料

图1.结构表征:(a) 3DP-pSG, 3DP-SG, and 3DP-G的XRD图谱,(b-d)3DP-pSG, 3DP-SG, and 3DP-G的高分辨率S 2p和C 1s以及XPS,表明了3DP-pSG存在S-C键。

神来之笔——3D打印下的Li-S正极材料

图2. 电化学表征:(a)3DP-pSG在50mA/g下的充放电曲线,(b)3DP-pSG and 3DP-SG在50mA/g下的循环性能,(c)3DP-pSG and 3DP-SG在电流密度范围50-800mA/g下的倍率性能,(d) 3DP-pSG and 3DP-SG在循环50圈后的电化学阻抗。


在3D印刷结构的简单热处理之后,通过硫和DIB之间的共聚,在还原性氧化石墨烯的表面上形成硫共聚物。在所得的3DP-pSG结构中,硫共聚物中的强共价S-C键可以部分抑制可溶性中间聚合物扩散到电解质中,并且石墨烯的存在可以为整个印刷体结构提供高电导率,同时提高绝缘硫共聚物的利用率,并缓解循环过程中的体积变化。此外,3DP-pSG架构中精心设计的大孔结构可以促进电解液自动进入材料。因此,3DP-pSG架构表现出812.8mAh/g的高可逆容量,以及作为Li-S电池正极的良好循环性能

由此可见,这种简单的3D打印方法对于制造具有复杂结构体系的能量存储设备而言极具借鉴意义。


参考文献:

Kai Shen, Hailong Mei, Bin Li, Junwei Ding, and Shubin Yang, 3D Printing Sulfur Copolymer-Graphene Architectures for Li-S Batteries, Adv. Energy Mater. 2017, 1701527, DOI: 10.1002/aenm.201701527.


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