3D打印分级多孔铜电极的烧结参数优化及其在锂金属电池中的性能增强

本研究针对锂金属电池(LMB)中传统铜箔集流体因低表面积导致枝晶生长的问题，通过直接墨水书写(DIW)技术结合烧结参数优化，制备出具有高机械强度的分级多孔铜(HP-Cu)集流体。系统研究了温度(938°C)、升温速率(2°C/min)和保温时间(80分钟)对相对密度、收缩率和抗压强度的影响，最终获得可承受80%应变且库伦效率达90%的电极，为新一代储能器件设计提供新思路。

　　

随着新能源技术的快速发展，锂金属电池(LMB)因其高能量密度被视为下一代储能器件的有力竞争者。然而传统铜箔集流体平坦的表面结构导致锂沉积不均匀，容易形成枝晶(dendrites)，进而引发短路和安全问题。多孔结构虽能有效增加表面积抑制枝晶，但薄型化(<300μm)与高机械强度难以兼得，在电池组装和充放电循环中易发生断裂。更棘手的是，现有增材制造(AM)技术如电子束熔融(EBM)和选择性激光熔化(SLM)因铜的高反射率和导热性面临工艺挑战，而粘结剂喷射打印(BJP)又存在尺寸偏差大等问题。

针对这些难题，国内研究人员通过直接墨水书写(DIW)这一具有设计自由度高、材料浪费少的增材制造技术，结合烧结参数的系统优化，成功制备出兼具优异机械性能和电化学性能的分级多孔铜(HP-Cu)集流体。研究发现，在938°C烧结温度、2°C/min升温速率和80分钟保温时间的最优条件下，所得电极相对密度显著提升，体积收缩率最小化，并能承受80%的应变而不破裂。当应用于LMB纽扣电池时，在5mA/cm²电流密度和5mAh/cm²镀锂容量下实现了90%的库伦效率，性能远超传统铜箔。这项发表于《Materials Chemistry and Physics》的研究为储能器件集流体的设计提供了新范式。

关键技术包括：1)采用1-3μm球形铜粉与聚乳酸(PLA)复合墨水进行DIW成型；2)通过响应面法优化烧结参数(温度、升温速率、保温时间)；3)采用无压烧结工艺；4)通过压缩测试和电化学循环评估性能。

材料与方法
研究选用纳米级球形铜粉与PLA复合体系，通过DIW打印生坯后直接烧结。创新性地省去了传统工艺中的压制步骤，利用铜颗粒表面能驱动烧结致密化。

烧结机制
温度在950-1050°C区间时，晶界扩散和体积扩散共同主导致密化过程。较低升温速率(2°C/min)有利于消除内应力，而80分钟保温时间确保充分扩散又不致晶粒过度长大。

性能优化
三因素三水平实验设计显示，温度对相对密度影响最大(贡献率47.8%)，升温速率主要调控收缩率(32.1%贡献)，保温时间则显著影响抗压强度。最优参数组合使电极在80%应变下仍保持结构完整。

电化学验证
多孔结构使局部电流密度降低5倍，有效抑制枝晶。在100小时循环中，HP-Cu集流体的过电位比铜箔低60%，且无短路现象。

这项研究首次建立了DIW-HP-Cu集流体的"工艺-结构-性能"关系图谱，证实通过烧结参数精确调控可实现孔隙结构与机械强度的协同优化。特别值得注意的是，该方法突破了传统多孔材料"强度-孔隙率"的权衡效应，为开发高安全性的薄型化LMB提供了关键技术支撑。Pawan Sharma团队的工作不仅解决了枝晶抑制与机械鲁棒性的矛盾，更开创了3D打印定制化集流体的新方向，对推动储能器件向高能量密度、高安全性发展具有重要意义。