东北大学使用3D打印技术成功制做钠离子电池碳基负极材料

7月14日，东北大学宣布其研究团队使用3D打印机制作的碳微晶格成功使电极单位面积容量提高了4倍。具有连续周期性结构的该种硬碳将被用于钠离子电池负极，离子可在晶格空隙中高速传递，而之前离子在固体中的低速扩散对电极容量起到了限制作用。

这一研究成果由加州大学洛杉矶分校荣誉教授理查德·B·坎纳和博士生胜山湧斗、东北大学材料科学高等研究所工藤朗教授、东北大学交叉科学前沿研究所韩久慧助教授、约翰霍普金斯大学陈明伟教授、东北大学多元物质科学研究所本间格教授和小林弘明讲师等组成的国际团队共同完成。

用于锂离子电池的锂和钴是稀缺资源。随着电动汽车产量增加其需求也在不断扩大，预计到2030年前后将供不应求，从而引发全球规模的资源争夺战。制备锂的主要原料碳酸锂的价格在过去2年已经上涨了近16倍，给摆脱对化石燃料的依赖带来了新的难题。

因此，日本正在开展多项不使用锂的新型蓄电池的研发。其中，钠离子电池因为依托丰富的海洋资源，其商品化备受期待。

电极能够填充离子的数量决定了蓄电池的容量。对于传统的薄膜电极和颗粒电极来说，由于离子在电极材料内部的移动速度较慢，即使增加厚度也无法提高电极性能，只能堆叠极片以同时保证电池的容量和功率。

如果能够实现微米级三维离子扩散路径，使金属离子在整个电极中高速移动，不仅可以在不损失功率的前提下增加极片容量，而且相较于堆叠结构更节省生产成本。近年来，在电脑上设计这种连续性三维结构后使用3D打印机进行制作的技术越来越受到关注。

研究团队为了提高电极性能，使用3D打印技术成功制作了具有连续周期性多孔结构的碳素电极。

此次研究使用价格相对低廉的LCD掩膜光固化3D打印机制造出了连续三维结构光固化树脂前体。在1000℃真空下进行热处理后，维持原设计结构且收缩60%，成功获得了由100-300㎛结构单元组成的碳微晶格。目前已证明，此碳微晶格用做钠离子电池负极时，其结构单位越细微充放电性能越好。

与传统的粉末电极相比，拥有最精密结构的微晶格能够将单位面积容量提高4倍。

另外，此次制作的碳微晶格为硬碳结构，不具有类似石墨的结晶度，在众多金属离子电池候选中，与钠离子的充放电具有更好的兼容性。研究团队利用这一特性在充放电的各个阶段回收清洁电极，用X射线衍射法成功观察到了钠离子渗透对硬碳内部结构的影响。 在性能反面可与锂离子电池相媲美的钠离子电池的成功研发指日可待。

今后将使用数值模型优化周期性结构。这样不但可以提升性能，而且光固化技术可以优化树脂分子结构，通过与其他材料混合应用于硬碳之外的材料，并且使用相同方法进一步研发出钠离子电池阳极以及其他金属离子电池电极。

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