上海大学团队提出3D打印结构锂离子电池

电动汽车的普及在很大程度上依赖于电池技术的进步。最近，作为一种提升电动汽车续航能力的潜在解决方案，“结构电池”引起了关注。

结构电池不仅可以作为车辆的结构组件，还能同时充当能源存储方案。与传统需要附加的电子或电气设备不同，结构电池被直接嵌入到车辆结构中。

上海大学的研究团队及其合作者最近提出了一种有前景的策略，用于制造高性能、定制几何构型的结构电池。他们在《复合材料科学与技术》杂志上发表的论文中详细阐述了这一策略，该策略可实现不同几何构型的3D打印结构锂电池。

论文的通讯作者饶银华在接受采访时表示：“这项研究旨在设计一种集成了能源存储和承载结构的解决方案，具有高承载能力和高能量储存能力。”

他进一步解释道：“在设计结构能量存储方面，材料科学主要集中于材料的合成与应用，以及能源储存组件的二次设计。我们可以利用碳纤维框架或玻璃纤维框架，并对电池电极、隔膜或电解质进行改性，以增强结构能量储存的承载性能。”

尽管存在潜在优势，许多此前制造的结构能源存储解决方案仍然面临显著限制，包括相对较低的能量密度和不佳的电机械循环性能。

在这项研究中，饶银华及其同事努力采用可扩展的制造策略，以制造性能更优的结构电池。他们特别探索了使用3D打印制造这些电池的可能性，3D打印技术如今已被广泛应用于各种产品和电子元件的制造。

“通过利用3D打印，我们旨在创造可定制的结构框架，并将其与能源存储材料结合，从而形成具有集成能量储存和承载功能的部件，具备高能量密度和承载能力。”饶银华说道。

他补充道：“结构框架的设计旨在发挥主要的承载作用，最小化在承载过程中对能源存储材料的损害，以确保优异的能源存储能力。”

饶银华及其团队提出的结构框架具有可调性，能够适应多种应用场景的3D打印结构电池。这些应用不仅限于电动汽车，还包括特定的自主机器人和仓储物流车辆的结构能源存储组件。

研究人员的3D打印策略集中在结构锂电池的两个关键方面：能源存储单元和结构框架。“通过设计一种解耦结构，我们可以有效减少能源存储单元在载荷作用下的变形，从而提升电池的机械稳定性。”饶银华解释道。

“我们利用3D打印技术创建框架，因为这种技术允许快速生产和精确控制结构部件。我们选择了高性能的电极材料和电解质，进一步提升了电池的能量密度和循环寿命。”

此外，饶银华及其同事还使用有限元软件模拟了负载下能源存储单元的损坏情况，这帮助他们优化了电池的结构设计，以限制预测的损坏。

“我们还采用了电池单元的分散布置，以防止由于局部损坏而导致整体故障的风险。”饶银华指出，“我们的测试表明，通过采用解耦结构电池的设计方法，可以实现既具备高能量密度和承载能力，又具备机电化学稳健性的结构电池。此外，3D打印技术还使得可定制的结构电池制造成为可能。”

研究团队利用其提出的方法制造了一个复合结构电池样品，初步测试发现该电池能够承受显著的拉伸和弯曲应力，同时具备120Wh/kg和210 Wh/L（3.5 mA/cm²）的高能量密度。

值得注意的是，在500个运行循环后，该电池仍能保持高达92%的容量。在80 MPa的拉伸应力下，它保持了98.7%的容量；在96.3 MPa的弯曲应力下，保持了97%的容量，每个运行循环仅损失约0.18%的容量。

“在实际应用中，可以为不同部件选择不同的材料，并利用有限元法对结构设计进行优化，”饶银华表示，“因此，我们的方法在各种应用场景中都能有效实现解耦结构电池的使用。”

展望未来，这一研究团队所提出的基于3D打印的制造策略可能有助于大规模生产高性能的结构能源存储组件，适用于广泛的应用领域。这可能包括用于电动汽车的高容量稳定结构电池，以及用于机器人系统的小型电池。

“我们研究的下一步将探索解耦结构电池在无人机和机器人中的应用，”饶银华补充道，“我们计划通过调整结构框架的材料来提升其可靠性。”