研究背景
随着便携式电子设备和电动汽车的发展，高能量密度电池需求激增。采用厚电极是提升锂离子电池能量密度的有效途径，但传统涂布法易引发裂纹和离子传输受阻等问题。墨水直写（DIW）3D打印技术可实现高负载与有利于离子传输的多孔结构，展现出构建厚电极的潜力。尽管已有相关进展，但高电压、高容量的钴酸锂（LiCoO2，LCO）电极在3D打印结构电池中的合理设计仍有待深入研究。
内容简介
近日，中国科学院大连化学物理研究所的吴忠帅课题组提出了一种有序通道设计的结构工程策略，通过3D打印技术构建超厚钴酸锂（LCO）电极，电极采用长程有序的三维多孔导电网络和快速的离子传输通道，用以实现高面容量和长寿命的结构电池。相比于传统涂布LCO电极，3D打印LCO电极具有显著增强的离子传输动力学，缓解了频繁嵌锂和脱锂产生的晶格应力，有效抑制了H2-H1/H2的不可逆相变，提升了结构稳定性。在29 mg cm-2的质量负载下，3D打印LCO||Li电池展示了高达5.16 mAh cm-2的面容量，并在200次循环后保持了89%的容量。此外，3D打印LCO超厚电极在190 mg cm-2的质量负载下（厚度为2686 µm），实现了29.15 mAh cm-2的超高面容量。这项研究为高能量密度锂离子电池的开发提供了新的设计方向。相关工作以“Ultrathick LiCoO2 Cathodes with Low Tortuosity and Accelerated Kinetics Enable High Areal Capacity and Long-life Customable Batteries”为题发表在《Energy Storage Materials》期刊，文章通讯作者为大连化学物理研究所吴忠帅研究员，第一作者为大连化学物理研究所博士研究生浮迎华。
图文导读
1. 3D打印LCO厚电极的构筑
本文设计了一种适用于3D打印的LCO墨水，通过构建由0D Super P、1D碳纳米管和2D石墨烯组成的三维多维导电网络，实现了高效的电子与离子传输。该墨水具有优异的流变性能，支持多种复杂结构的定制打印，展示了其在可定制电极设计中的广泛应用潜力。
2. 3D打印LCO厚电极的形貌
得益于有序通道设计，低迂曲度的3D打印LCO厚电极有利于溶剂的快速均匀蒸发，降低内应力，避免了干燥过程中的裂纹和分层，并表现出极佳的电解液浸润性。而高度曲折的传统涂布LCO厚电极，干燥后产生严重开裂。
3. 3D打印LCO厚电极的电化学性能
电化学测试结果与 COMSOL仿真表明，与传统涂布LCO厚电极相比，3D打印LCO厚电极具备更快且更均匀的离子扩散能力和更低的极化，从而展现出卓越的循环稳定性。质量负载为 29 mg cm-2的3D打印LCO厚电极在0.5 C循环200圈后仍能保持89%的容量。在高达190 mg cm-2的超高负载下，仍可实现29.15 mAh cm-2的高面容量和稳定循环，超过了迄今为止报道的LCO厚电极。
4. 3D打印LCO厚电极增强的结构稳定性
原位XRD和电镜分析表明，3D打印LCO厚电极在高压循环过程中具有更优异的结构稳定性。相比于涂布电极，具有快速离子传输通道的3D打印电极有效地缓解了晶格应力、抑制不可逆相变和结构破坏。循环100次后，3D打印电极的LCO颗粒保持完整形貌和稳定层状结构，而涂布电极则出现颗粒破裂和H2-H1/H2的不可逆相变，体现了3D打印在提升厚电极结构稳定性方面的显著优势。
5. 3D打印LCO厚电极增强的电极/电解液界面化学稳定性
进一步研究了3D打印和涂布LCO厚电极在循环后的界面化学特性。STEM结果显示，3D打印LCO电极形成了3D打印LCO电极具有更薄、更均匀的CEI层，而涂布电极则形成了较厚且松散的CEI层。XPS，TOF-SIMS和ICP-MS的结果表明具有快速离子扩散的3D打印LCO厚电极显著抑制了界面副反应的发生和钴的溶解，增强了电极的化学稳定性。
总结与展望
本研究提出了一种3D打印有序通道电极设计的策略，使超厚LCO电极（2686 µm）实现了创纪录的29.15 mAh cm-2高面容量，并展现出优异的循环稳定性。通过设计有序通道，有效提升了锂离子扩散动力学，减小极化，缓解晶格应力，抑制不可逆相变，从而稳定循环性能。因此，具有29 mg cm-2高质量负载的3D打印LCO||Li电池，在3 mA cm-2电路密度下循环200次后，仍能保持89%的容量。该研究突出了3D打印技术在设计高容量电极方面的优势，尤其在提高离子传输速率、增强结构稳定性和延长循环寿命方面，为高能量密度电池的可扩展定制化设计提供了有前景的解决方案。
文献链接
Ultrathick LiCoO2 Cathodes with Low Tortuosity and Accelerated Kinetics Enable High Areal Capacity and Long-life Customable Batteries.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104291
作者简介
吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，二维材料化学与能源应用研究组组长，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士。2018-2024年连续七年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、中组部引进海外高层次青年人才、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任。兼任Energy Storage Materials副主编、Applied Surface Science副主编，Journal of Energy Chemistry执行编委，National Science Review编辑工作组成员，Science Bulletin、科学通报、Nanomaterials、Carbon Futures、Materials Research Express、Energy & Fuel、Materials Chemistry Frontiers、储能科学与技术、Physics编委， eScience、Chinese Chemical Letters、Materials Futures、物理化学学报青年编委、Engineering通讯专家。
吴忠帅研究员的研究方向是二维材料化学与微纳电化学能源应用的基础研究，包括石墨烯与二维材料、微型储能器件与微能源系统、超级电容器、先进电池和能源催化。取得了系统性、原创性的研究成果，在能源材料化学、微型储能器件及柔性微电子系统等领域产生了重要的国际影响。迄今为止，已在Nature、Nat. Commun.（6篇）、Energy Environ. Sci.（15篇）、Adv. Mater.（20篇）、J. Am. Chem. Soc.（9篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（11篇）、Natl. Sci. Rev.（7篇）、Adv. Energy. Mater.（18篇）、Energy Storage Mater.（23篇）、Sci. Bull.（7篇）、J. Energy Chem.（20篇）等期刊发表学术论文350余篇，被SCI引用46000余次；单篇他引超过200次的46篇，单篇他引超过1000次的13篇。申请发明专利180余项，授权31项；获批国际标准1项、国家标准2项。获国家自然科学奖二等奖（第四完成人，2017）、辽宁省自然科学奖一等奖2次（第四完成人，2017；第一完成人，2022）、第十三届辽宁青年科技奖、Nano Research新锐青年科学家奖、Energy Storage Materials青年科学家奖、中国科学院优秀导师奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学领雁银奖-振翅奖、中国科学院大学-澳大利亚必和必拓优秀导师奖、沙特基础工业公司-中国科学院大学优秀导师奖、中科院“百人计划”终期评估优秀等荣誉奖励。
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