​AEM：用于结构电池增材制造的高负载电极丝

熔融沉积建模（FDM）通过将熔融热塑性长丝通过喷嘴挤出并逐层沉积来生产实用的 3D 电极，已变得越来越流行。FDM可以提供设计灵活性和可扩展性，使其适合大规模生产。在此过程中，电极丝是通过将石墨、LTO和LFP等活性材料以及导电添加剂与聚乳酸 (PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚碳酸酯 (PC) 等热塑性塑料混合而成。尽管使用FDM的印刷电池表现出设计灵活性，但由于活性和导电材料含量低或热塑性塑料的存在，其电化学性能受到限制，影响了电解质的可及性和导电性。

在此，美国特拉华大学付堃（Kelvin Fu）团队开发了一种约含65 wt.%填料的高负载电极丝，结合3D打印和后处理技术，加入增塑剂来制造具有增强电化学性能和机械性能的结构电极。通过3D打印实现电极（即蜂窝形正极和柱状负极）的叉指设计，脱塑/碳化增强了电极内电解液的分布，有助于提高面容量。

此外，本文采用创新方法制备的高负载长丝制造的结构电池，有效防止脱塑/碳化过程中的尺寸变化，例如收缩和翘曲，从而产生机械坚固的电极。碳化过程中形成的碳层能将排列各向异性的纳米材料协同集成，从而进一步提高了电极的整体结构稳定性。

图1. 结构电极半电池的电化学性能

总之，该工作制造了约含65 wt.%填料的高负载电极丝，进而制备出具有高机械性能和改善电化学性能的结构电极。将3D打印和后处理技术相结合，蜂窝柱形叉指电极通过增加面负载密度和增强电极内的电解质分布来实现高面容量。在电流密度为0.92 mA cm⁻²时全电池得到了增强的面容量（≈12.28 mAh cm⁻²） 和能量密度 （≈233.69 Wh kg⁻¹和 ≈218.84 Wh L⁻¹）。

另外，在碳化过程中形成的碳涂层的打印结构电池表现出协同增强的力学性能（模量为18.5 MPa，强度为1.09 MPa），明显超过了其他文献报道的3D打印电极的数值。因此，该工作为制造适用于实际应用的结构电池提供了一种新方法，充分利用了3D打印技术的可扩展性和灵活设计性，为先进电池系统的开辟提供了可能性。

图2. 结构电极全电池的电化学性能

High-Loaded Electrode Filaments for Additive Manufacturing of Structural Batteries, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202301704