可充電鋰離子電池因其具備高的功率密度在能量存儲方面扮演著重要角色。鋰離子電池面臨的一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)就是如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高倍率性能和容量，這對便攜式電子設(shè)備、電動車以及可再生能源智能電網(wǎng)都有很大的影響。盡管超級電容器能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電，但是與鋰離子電池相比，其容量太低同時(shí)成本太高。因此提高鋰離子電池倍率性能和容量是鋰電研究的熱點(diǎn)之一。

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒課題組最近將磷酸鐵錳鋰電池材料和3D打印技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電池的超高倍率性能和容量。3D打印技術(shù)在最近幾年發(fā)展迅速，因其能夠快速成型、低成本等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，同時(shí)通過控制流速和壓力能夠打印出不同厚度和寬度的材料，且其均一性也很好。3D打印技術(shù)在鋰離子微電池領(lǐng)域已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用，該文章巧妙地實(shí)現(xiàn)了磷酸鐵錳鋰電池材料和3D打印技術(shù)的結(jié)合，并制備了3D-printing電極，在100 C的條件下能夠達(dá)到108 mAhg-1，10 C和20 C的電流密度下循環(huán)1000次有150和140 mAhg-1的容量保留。課題組接著利用贗二維隱馬爾科夫模型 (Pseudo 2D Hidden Markov Model) 對3D打印電極和傳統(tǒng)電極的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，第一次闡述了實(shí)現(xiàn)鋰離子電池高倍率性能的關(guān)鍵因素。結(jié)果顯示，在100 C的電流密度條件下，鋰離子體相擴(kuò)散不是影響倍率性能的決策步，然而溶質(zhì)擴(kuò)散、有效孔隙率、電極厚度等對實(shí)現(xiàn)高倍率容量起到了關(guān)鍵作用。同時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)在電極厚度超出一定范圍后，上述因素對等效擴(kuò)散系數(shù)影響很大，這決定著鋰離子電池的整個(gè)動力學(xué)過程。

3D打印鋰電池正極材料

磷酸鐵錳鋰電池材料的倍率性能

延伸閱讀：臺灣大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)3D打印出比一般電池電容量大3倍的鎂電池