3D直書寫打印在儲能器件中的應用

來源： 化學工業(yè)與工程

3D直書寫打印是一種較為理想的電極制造技術(shù),可方便地制造結(jié)構(gòu)復雜、孔隙均勻的儲能器件,其在電解質(zhì)傳輸、離子滲透等方面具有傳統(tǒng)塊狀材料難以比擬的優(yōu)勢。首先介紹了電化學儲能器件的框架結(jié)構(gòu),然后根據(jù)墨水直寫技術(shù)對于儲能器件性能提升的影響重點綜述了基于氧化石墨烯、碳納米管等碳材料、MXene層狀材料以及聚合物凝膠墨水種類對于鋰電池、鎳鐵電池、鋅-空氣電池等電極的制造與改性,并對近期不同材料改性的3D打印的儲能器件性能進行了總結(jié),最后對于該技術(shù)在應用中的發(fā)展前景及挑戰(zhàn)提出了展望。

圖 1 (a)墨水直書寫打印;(b)交指結(jié)構(gòu)電極;(c)木堆狀結(jié)構(gòu)電極;(d)纖維狀電極

圖 2 (a)多孔鋰硫電池循環(huán)性能;(b)高硫負載3D打印面積比電容、庫倫效率;(c)3D打印Li-SeS2正極循環(huán)性能及庫倫效率

圖 3 (a)鋅-空氣電池循環(huán)性能;(b)鎳鐵電池循環(huán)性能圖

圖 4 (a)高濃度氧化石墨烯打印電容器面積比電容;(b)堿性氧化石墨烯調(diào)節(jié)漿料性質(zhì);(c)3D打印氣凝膠對稱電容器模型及循環(huán)曲線;(d)功能化改性電容器循環(huán)曲線;(e)碳納米管改性電容器及電極形變測試

圖 5 (a)3D全打印交指狀超級電容器;(b)釩基硫化超級電容器性能;(c)3D打印Zn離子超級電容器

圖 6 全固態(tài)對稱電容器打印流程

表 1 墨水直書寫技術(shù)黏結(jié)劑種類及其性能總結(jié)

結(jié)論
主要闡述基于不同物質(zhì)進行改性的漿料通過墨水直書寫技術(shù)打印制得電極在電化學儲能器件上的應用。墨水直書寫技術(shù)的最大優(yōu)點是可以通過計算機設計有序復雜的三維立體結(jié)構(gòu),從而獲得更好的離子傳輸效率和更大的比表面積。然而該技術(shù)在儲能器件的應用仍然面臨一些挑戰(zhàn):(1)打印后的電極框架仍需要較為復雜的后處理,一步制備成形仍是工藝探索的方向。(2)為滿足漿料非牛頓性質(zhì),黏合劑導電性普遍較差,高導電性黏合劑材料仍需進一步探索。(3)當前電極打印結(jié)構(gòu)普遍拘泥于木堆狀結(jié)構(gòu),3D打印電極空間設計亟待創(chuàng)新?？傮w來說,墨水直書寫技術(shù)在儲能器件領(lǐng)域應用擁有廣闊前景。