磷酸铁锂墨水直写成型工艺参数与流变行为对3D电极结构及电化学性能的调控机制研究

这篇研究论文系统探讨了直接墨水书写(DIW)技术中磷酸铁锂(LiFePO4)墨水流变特性与打印参数的协同调控机制。研究发现导电添加剂含量达12%时墨水呈现最佳假塑性（pseudoplasticity）和溶胀恢复行为，所制备电极在10C倍率下放电容量达73.8 mAh·g-1，300次循环后容量保持率达90.01%，为高功率微型储能器件开发提供了重要理论依据。

　　

Highlight

直接墨水书写(DIW)作为一种适应性强的3D打印技术，在微型储能器件和柔性电池领域展现出巨大潜力。电极墨水的流变特性不仅决定打印适性（printability），更直接影响最终电极的电化学表现。本研究揭示了磷酸铁锂(LiFePO₄)墨水组分与流变行为的构效关系，建立了三维电极结构的优化调控机制。

Material and ink preparation

实验采用青海泰丰先芯锂电提供的LFP材料（粒径100-300nm，D₅₀≈0.55μm），配合导电炭黑(Super P)和聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂制备打印墨水。XRD分析证实所用LFP结晶度良好，无杂质峰。

Investigation of the impact of printing parameters on the electrode morphology

SEM观察显示，打印参数（针头直径、移动速度、气压）与墨水固含量共同决定纤维成型质量。当导电剂含量提升至12%时，墨水表观粘度显著增加，剪切稀化效应（shear-thinning）使挤出过程更可控，而屈服应力（yield stress）的优化则确保沉积后结构稳定性。

Conclusions

通过调控墨水流变特性（粘度恢复率>85%）与工艺参数（挤出压力0.3-0.5MPa，打印速度8-12mm/s），成功制备出具有分级孔隙结构的3D电极。该电极在10C高倍率下仍保持73.8mAh·g^-1的放电容量，循环300次后容量保持率超90%，证实了流变工程（rheology engineering）在储能器件制造中的关键作用。