可充電鋰離子電池因其具備高的功率密度在能量存儲(chǔ)方面扮演著重要角色。鋰離子電池所面臨的一個(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(duì)便攜式電子設(shè)備，電動(dòng)車以及可再生能源智能電網(wǎng)都有很大的影響。盡管超級(jí)電容器能夠?qū)崿F(xiàn)快速的充放電，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現(xiàn)在研究的主要方向。
圖： AEM 2016年10月 封面
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)進(jìn)行結(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)在最近幾年有快速的發(fā)展，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，本篇文章巧妙的實(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100C的條件下能夠達(dá)到108 mAh g-1, 10C和20C的電流密度下循環(huán)1000次有150 和140 mAh g-1的容量保留。然后利用贗二維隱馬爾科夫模型 (Pseudo 2D Hidden Markov Model) 對(duì)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100C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(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)過程。這些基礎(chǔ)研究為設(shè)計(jì)擁有優(yōu)越電化學(xué)性能的鋰離子電池提供了有利的指導(dǎo)。
（a）
(b)
圖：(a) 3D打印鋰電池正極材料和(b)磷酸鐵錳鋰電池材料的倍率性能
該研究成果近期以全文形式發(fā)表在Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater. 2016, 1600856, 影響因子IF=15.23)上，該工作由潘鋒教授指導(dǎo)，由15級(jí)博士生胡江濤，13級(jí)碩士蔣儀和崔歲寒合作完成。
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