【顶刊综述Materials Today】孙学良院士、孙润仓教授：3D打印技术在锂电池领域的应用：从液态到固态电解质

第一作者：高雪洁，Matthew Zheng

通讯作者：孙学良*，孙润仓*

单位：大连工业大学，加拿大西安大略大学，福州大学，上海大学

近年来，随着市场对便携式消费电子产品、储能产品和纯电动汽车需求的迅猛增长，人们对传统锂离子电池（LIB）的需求越来越大。然而传统的液态LIB面临一系列安全问题的挑战，包括电解液泄漏、胀气，甚至起火或爆炸。

此外，当前先进的LIBs已接近其能量密度极限，这也是导致电动汽车里程焦虑的一个关键原因。因此，提高LIB的安全性和能量密度是锂电池领域的两项重要而紧迫的任务。3D打印技术由于具有高度灵活性近几年来已经在储能领域有所发展，有望在解决锂电池中存在的关键问题的同时实现电池高能量密度的目标。

本文总结了3D打印技术在锂电池领域的应用，特别是从传统液态电池到固态电池领域的发展。针对3D打印技术在液态/固态电池领域中存在的关键科学问题，提出不同的解决问题的策略。并就如何进一步提高3D打印技术给出了科学的建议。本文为未来3D打印技术与锂电池的进一步结合与应用提供了方向，有助于交叉学科的深入研究及实际应用。

基于此，来自加拿大西安大略大学的孙学良院士与大连工业大学的杨润仓教授合作，在国际知名期刊Materials Today上发表题为“Emerging Application of 3D-printing Techniques in Lithium Batteries: From Liquid to Solid”的综述论文。

文章介绍了3D打印技术在锂电池领域的最新进展，阐明了不同的3D打印技术在电池领域的应用；首先，分析了3D打印技术在液态锂电池领域的应用，包括传统锂离子电池，锂硫电池，LFP电池等，讨论了3D打印技术在其应用上的优缺点，并提出了优化策略；其次，总结了3D打印技术在固态锂电池的应用，从固态电解质的角度出发，分析了打印不同电解质包括聚合物电解质，氧化物电解质，硫化物电解质以及新型卤化物电解质对电池电化学性能的影响，并提出了优化的策略；

再次，回顾并总结了3D打印前言技术，引领读者了解最先进的打印技术，同时强调了打印后处理技术对于高质量3D打印材料的影响，为3D打印技术的实际应用提供了实用指南；最后，提出了3D打印技术与锂电池研究的未来方向，强调了两个领域的交叉研究对高能量密度的锂电池实际化应用的意义。

系统地总结了3D打印技术用于液态和固态锂电池的应用发展方向，如图一。此外，对不同的打印技术在电池组分上的应用进行了系统且详细的描述，例如，何种材料适应于电池壳的设计，何种打印技术可用于电池正负极以及电解质。总结了不同打印技术的优缺点，为后续3D打印技术应用在储能领域提供了指导。

图一：近年来3D打印技术在电池领域的发展：从液态电解质到固态电解质

要点二：在液态电池的应用——厚电极以及3D正负极设计

利用3D打印技术可设计锂电池正极材料，如图二，通过控制打印正极材料的形状，从宏观以及微观尺度上控制正极材料的形貌，促进电极内部离子，电子传输。此外，对正极材料厚度的可控性可实现对材料活性物质质量的可调，最终实现高能量密度以及高功率密度的锂电池目标。

文章系统的总结了3D打印技术在锂电池正极的应用，包括锂-磷酸铁锂电池，锂空气电池，锂硫电池，锂二氧化碳电池等。此外，在锂电池负极的应用上，如图三，总结了利用3D打印技术可实现打印材料形貌的可控，实现3D模板的设计，利用电化学沉积或者熔融法可有效地控制金属锂的沉积/溶解行为，抑制锂枝晶生长从而达到锂金属电池长寿命循环的目标，解决电池短路问题。

图二：3D打印技术在液态锂电池正极的应用

图三：3D打印技术在液态锂电池负极的应用

要点三：固态电池的应用——解决界面问题

文章概括了3D打印技术设计的准固态锂硫，锂硒电池以及固态锂离子电池，如图四，提出了将该技术应用在准固态电池中的优点，初步解决固态电池中存在的关键科学难题，实现高面容量的准固态电池的设计。此外，在全固态电池的设计中，总结了空气稳定复合电解质的设计概念，如图五，例如聚合物电解质与氧化物电解质的有效结合，三明治结构固态电解质的设计等，概括了此类工作的优势——解决固态电池中的界面问题的同时提高固态电解质的机械性能。提出硫化物电解质与3D打印技术结合存在的问题以及解决策略，并展望新型卤化物电解质与3D打印技术结合的应用前景。

图四：3D打印技术在准固态锂电池的应用

图五：3D打印技术在全固态锂电池的应用

要点四：前瞻

基于3D打印和锂电池研究的结合优势以及目前仍然存在的问题，首次提出打印后处理技术的重要性，包括树脂和粉末、基于墨水和基于长丝的3D打印技术，这些技术可直接用于进一步提高打印材料的质量。此外，提出4D打印技术应用的重要性。阐明高精密度打印机设计的重要性，以及打印技术潜在应用价值，可最终实现纳米级别的孔径控制，为日后打印技术与锂电池的进一步结合提供发展方向。

Emerging Application of 3D-printing Techniques in Lithium Batteries: From Liquid to Solid

孙学良院士简介：加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，中国工程院外籍院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编。孙院士的主要研究方向是纳米能源结构材料在能源储存和转化，重点从事燃料电池和全固态锂电池，锂离子电池的研究和应用。

已发表超过490篇SCI科学论文，被引用次数超过49,000次，，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv.Funct. Mater., Accounts Chem. Res., Energy Environ. Sci., Nano Energy等高水平杂志；

孙润仓教授简介：国家杰出青年基金及“长江学者奖励计划”特聘教授入选者，英国皇家化学会Fellow，973项目首席科学家，第六、第七届国务院学院委员会轻工技术与工程学科评议组成员，第七届教育部科学技术委员会化学化工学部委员，连续多年入选爱思维尔高被引学者及科睿唯安全球高被引学者， 2021年入选全球科学家榜单终身科学影响力排行榜（1960-2019）中国TOP200 第116位及2019年度科学影响力排行榜中国TOP200 第64位，2020年获美国化学会安塞姆·佩恩奖（“是纤维素与可再生资源材料领域的国际最高奖，该奖项每年仅设一名获奖者，颁发给在纤维素和可再生资源材料研究和化学技术方面做出卓越贡献的国际著名科学家”）。

团队成员获国家技术发明二等奖3项、教育部自然科学/技术发明/科技进步一等奖6项，省科技进步一等奖1项，中国轻工业联合会技术发明一等奖3项，中国产学研合作创新奖1项等。

高雪洁博士，2021年10月获得加拿大西安大略大学机械与材料工程专业博士学位（指导老师：孙学良教授，Tsun-Kong Sham 教授）。2021年11月加入大连工业大学。目前主要研究方向为全固态锂电池，锂硫电池，3D打印技术。

截止目前以第一作者身份在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Materials Today, Energy Storage Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy等国际著名期刊发表论文13篇（IF均大于15）。

投稿请联系contact@scimaterials.cn