鄭州大學(xué)Mater.Today綜述：直寫式3D打印儲(chǔ)能器件

近年來電池以及超級(jí)電容器等電化學(xué)儲(chǔ)能器件研究進(jìn)展迅速。研究人員開發(fā)了很多高性能的電極材料，但是利用傳統(tǒng)裝配電池技術(shù)在一定程度上限制其性能的提升。此外利用傳統(tǒng)技術(shù)很難將集成電路和電源系統(tǒng)直接集成在一起。3D打印技術(shù)為進(jìn)一步提高電化學(xué)儲(chǔ)能器件性能以及快速集成提供了一種可行性方案。

在各種3D打印技術(shù)中，由于直寫式（DIW）3D打印可以非常靈活的制備出人工可控的分級(jí)多孔電極結(jié)構(gòu)從而提高器件的面能量和功率密度，因此DIW 3D打印技術(shù)非常適合制備高性能電化學(xué)儲(chǔ)能器件。于此同時(shí)對(duì)DIW 3D打印技術(shù)提出了很高要求。因此有必要研究分析3D打印各個(gè)因素對(duì)器件性能的影響原因，包括選擇漿料各個(gè)組分的原則和方法，優(yōu)化電極和制備過程等，以及結(jié)合具體電化學(xué)儲(chǔ)能器件來討論3D打印對(duì)器件性能具體影響機(jī)制和結(jié)果。為進(jìn)一步提高3D打印電化學(xué)儲(chǔ)能器件性能提供思路，也為未來DIW 3D打印儲(chǔ)能器件在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景提供依據(jù)。

近日，鄭州大學(xué)王燁教授和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)楊會(huì)穎教授合作在Materials Today上發(fā)表題為“Direct-ink writing 3D printed energy storage devices: From material selectivity, design and optimization strategies to diverse applications”的綜述文章。該文章系統(tǒng)的討論了DIW 3D打印技術(shù)對(duì)漿料各成分選擇的要求、3d打印儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化策略，并總結(jié)了DIW 3D打印儲(chǔ)能器件的最新進(jìn)展和研究現(xiàn)狀。論文第一作者是2019級(jí)碩士研究生嚴(yán)瑾。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.03.014

DIW 3D打印儲(chǔ)能器件的電化學(xué)性能受很多因素影響，比如漿料的配置、制備過程、器件結(jié)構(gòu)、孔隙率/迂曲度以及封裝等。想要提高器件性能，需要從每一部分入手進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。文章具體介紹了DIW 3D打印漿料方面，需要從流變性能、溶劑、骨架物質(zhì)/活性物質(zhì)、粘合劑/添加劑/填充物等因素；制備過程包括打印參數(shù)（氣壓、針頭大小、針頭高度、打印速度、）和后處理（冷凍干燥、退火處理、刻蝕等）；器件結(jié)構(gòu)/電極圖案；電極孔隙率和迂曲度、以及包裝等方面進(jìn)行考慮和優(yōu)化的原則，并給出來一些典型的參數(shù)和例子。然后針對(duì)各種3D打印儲(chǔ)能器件，包括鋰/鈉離子電池、鋰硫/硒/氧電池、鋰/鈉金屬電池、鎳-鐵電池、鋅空電池、鋅離子電池以及超級(jí)電容器，具體討論3D打印對(duì)器件性能影響的機(jī)制。

圖1. DIW 3D打印儲(chǔ)能器件的發(fā)展。

圖2. 各種DIW 3D打印儲(chǔ)能器件及其性能影響因素

本文系統(tǒng)的介紹了近年來DIW 3D打印儲(chǔ)能器件的研究進(jìn)展。著重討論了如何通過3D打印各個(gè)因素對(duì)儲(chǔ)能器件性能的影響，以及通過優(yōu)化來加快離子和電子傳輸速率提高表面動(dòng)力學(xué)從而提高倍率性能以及面能量密度。盡管DIW 3D打印儲(chǔ)能器件這一領(lǐng)域取得了迅速和振奮人心的進(jìn)展，但未來進(jìn)一步的推動(dòng)3D打印提高電化學(xué)儲(chǔ)能仍然面臨一些挑戰(zhàn)。本文從原理、材料的選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略到各種應(yīng)用等方面存在的問題和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析和討論，對(duì)今后DIW 3D打印儲(chǔ)能器件的研究和突破進(jìn)行了展望。

參考文獻(xiàn)

Jin Yan, Shaozhuan Huang, Yew Von Lim, Tingting Xu, Dezhi Kong, Xinjian Li, Hui Ying Yang, Ye Wang, Materials Today, Direct-ink writing 3D printed energy storage devices: From material selectivity, design and optimization strategies to diverse applications, 2022,