西湖大學《AFM》：通過3D打印凝膠電解質定制超級電容器！

來源：材料科學與工程

IoT（物聯(lián)網）時代對輕型、小型化、可定制和高效的儲能設備 (ESD) 提出了新的要求，這些設備可以與可穿戴和生物醫(yī)學應用所需的各種幾何形狀無縫集成。除了傳統(tǒng)的卷對卷策略，新興的制造方法（如 3D 打印）使整體 3D ESD 形狀的數字編程也可以用作結構組件，這有利于減輕重量并簡化可穿戴電子產品、微型機器人、和醫(yī)療電子。除了宏觀形狀定制之外，微調 ESD 內部架構的能力也是器件優(yōu)化的關鍵。具體而言，3D 叉指式器件配置允許短而均勻的電子/離子擴散路徑和增加的接觸面積，克服了傳統(tǒng)平面厚電極中傳輸距離長和界面電阻高的問題。這種設計可以實現(xiàn)高能量密度，而不會在活性材料的高質量負載下降低 ESD 的倍率性能。已經報道了具有充滿液體或凝膠狀電解質的 2D 或 3D 電極的 ESD，但它們在 3D ESD 架構的設計靈活性方面面臨著重大挑戰(zhàn)。

來自西湖大學的學者展示了一種組裝 ESD 的新方法，該方法能夠通過數字光處理 (DLP) 技術和簡便的順序浸涂工藝定制外部和內部架構。使用超級電容器作為原型設備，展示了面容量為282.7 mFcm−2的ESD的3D打印，這高于采用平面堆疊配置（205.5 mFcm−2）的相同質量負載的參考設備。具有高度可定制外部幾何形狀的印刷設備可以方便地將 ESD 用作各種電子產品的結構組件，例如表帶和仿生電子產品，這些電子產品很難用以前報道的策略制造。相關文章以“Customizable Supercapacitors via 3D Printed Gel Electrolyte”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214301

圖 1. 基于 3D 打印 GPE 的 3D ESD 制造方案。 a) GPE 打印裝置和 GPE 主要部件的示意圖。 b) 不同浸涂步驟樣品的光學照片和假色橫截面SEM圖像。c) 3D 打印 EDLSC 中宏觀尺度可定制 ESD 幾何結構及其內部 3D 交叉指狀結構的示意圖。

圖 2. 3D 打印 GPE 的優(yōu)化。紫外線吸收劑含量對印刷效果的影響。 a) 穿透深度。 b) 3D 打印的 GPE 壁結構，高度為 500 μm，壁距為 500 μm，壁厚為 50 至 180 μm，具有不同含量的紫外線吸收劑，顯示低于 0.2 wt.% 的 UV-吸收器，結構顯示過度固化現(xiàn)象。 c) 具有從 1.5:1 到2.5:1 的不同 IL/單體比率的印刷 GPE 的電化學阻抗譜 (EIS)。 d) 具有從 1.5:1到 2.5:1 的不同 IL/單體比率的 GPE 的楊氏模量。 e) GPE 的線性掃描伏安法 (LSV) 曲線，IL/單體比為2:1，掃描速率為 1 mV s−1，電位范圍為 0–6 V。f) 體心立方晶格陣列（左）、面心立方晶格陣列（中）、開爾文晶胞及其陣列（右）。 g) 印刷細胞結構的SEM圖像。

圖 3. 優(yōu)化順序浸涂工藝，將電極和集電器材料沉積到印刷 GPE 上。 a) GPE 薄膜上電極分散體 (10 wt.%) 的接觸角。 b）表觀粘度和c）在電極材料的不同浸涂時間和不同固體含量下活性炭的質量負載。 d) AC/CNT 涂層 GPE 結構的橫截面 SEM 圖像（左）和 AC/CNT（右）在涂上 14 wt.% 的電極材料（涂一次）后的 SEM 圖像。 e) Ag NWs 分散體 (2 wt.%) 在經過和未經等離子體處理的電極膜上的接觸角。 f) Ag NWs 分散體的表觀粘度和插圖顯示了相同體積的 Ag NWs 分散體的不同固含量在傾斜玻璃上的流動性結果，傾斜玻璃的角度≈30°。 g) 多次浸涂后具有不同固含量的 Ag NWs 的電導率。 h) 三層 GPE:AC/CNT:Ag NWs 結構的橫截面 SEM 圖像（左）Ag NWs 的SEM 圖像（右）涂上 6 wt.% 的 Ag NWs 分散體（涂三遍）。

圖 4. 三種器件的電化學性能：低質量負載 ≈1 mg cm−2的平面堆疊器件 (PSD-L)，高質量負載 ≈3 mg cm−2的平面堆疊器件 (PSD) -H)，以及 3D 叉指式裝置，質量負載約為 3 mg cm−2 (3D-ID-H)。 a) 倍率性能和 b) PSD-L 在0.1 至 0.5 mA cm−2不同電流密度下的相應 GCD 曲線。 c) PSD-L 在電流密度為 0.5 mA cm−2時的循環(huán)穩(wěn)定性。 d) 3D-ID-H和PSD-H在相同AC質量負載下的示意圖，分別顯示電極材料和電解質之間的3D叉指結構和平面逐層堆疊結構。e) 3D-ID-H和PSD-H的速率性能。 f) 3D-ID-H 和 PSD-H 在 0.01 到100000 Hz 頻率范圍內的 EIS 譜。

圖 5. 3D 打印 ESD 到各種任意結構的演示。 a) 串聯(lián)的 3D-ID-H 示意圖（左）。相應的 GCD 曲線（中）。 CV 曲線（右）。 b) 3D-ID-H 兼作表帶和電源。 c) 具有三個串聯(lián)連接的 SC 的類螢火蟲 3D EDLSC 的示意圖和光學照片。 d) 我們的策略與其他報告方法之間形狀復雜度和 ESD 特征尺寸的比較。

總之，本研究提出了一種新的 3D 打印凝膠電解質模板制造方法，隨后浸涂電極、集電器和封裝材料，以完成具有內部 3D架構和整體 3D 幾何形狀的 3D ESD，作為結構電源。電極和電解質之間的內部 3D 叉指配置使該設備能夠提供比平面堆疊配置 (205.5 mF cm−2) 更高的面容量 282.7 mFcm−2。受益于DLP打印技術的高度定制化和浸涂工藝的共形沉積特性，本研究展示了各種具有可定制形狀的3D ESD，以允許與其他電子產品集成以減輕重量和小型化。本研究的3D打印凝膠電解質與浸涂相結合的方法開辟了為無數可穿戴和生物醫(yī)學應用制造結構化ESD的新途徑。(文：SSC)