郑州大学Mater.Today综述：直写式3D打印储能器件

近年来电池以及超级电容器等电化学储能器件研究进展迅速。研究人员开发了很多高性能的电极材料，但是利用传统装配电池技术在一定程度上限制其性能的提升。此外利用传统技术很难将集成电路和电源系统直接集成在一起。3D打印技术为进一步提高电化学储能器件性能以及快速集成提供了一种可行性方案。

在各种3D打印技术中，由于直写式（DIW）3D打印可以非常灵活的制备出人工可控的分级多孔电极结构从而提高器件的面能量和功率密度，因此DIW 3D打印技术非常适合制备高性能电化学储能器件。于此同时对DIW 3D打印技术提出了很高要求。因此有必要研究分析3D打印各个因素对器件性能的影响原因，包括选择浆料各个组分的原则和方法，优化电极和制备过程等，以及结合具体电化学储能器件来讨论3D打印对器件性能具体影响机制和结果。为进一步提高3D打印电化学储能器件性能提供思路，也为未来DIW 3D打印储能器件在一些特殊应用场景提供依据。

近日，郑州大学王烨教授和新加坡科技与设计大学杨会颖教授合作在Materials Today上发表题为“Direct-ink writing 3D printed energy storage devices: From material selectivity, design and optimization strategies to diverse applications”的综述文章。该文章系统的讨论了DIW 3D打印技术对浆料各成分选择的要求、3d打印储能器件的设计原则和优化策略，并总结了DIW 3D打印储能器件的最新进展和研究现状。论文第一作者是2019级硕士研究生严瑾。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.03.014

DIW 3D打印储能器件的电化学性能受很多因素影响，比如浆料的配置、制备过程、器件结构、孔隙率/迂曲度以及封装等。想要提高器件性能，需要从每一部分入手进行设计和优化。文章具体介绍了DIW 3D打印浆料方面，需要从流变性能、溶剂、骨架物质/活性物质、粘合剂/添加剂/填充物等因素；制备过程包括打印参数（气压、针头大小、针头高度、打印速度、）和后处理（冷冻干燥、退火处理、刻蚀等）；器件结构/电极图案；电极孔隙率和迂曲度、以及包装等方面进行考虑和优化的原则，并给出来一些典型的参数和例子。然后针对各种3D打印储能器件，包括锂/钠离子电池、锂硫/硒/氧电池、锂/钠金属电池、镍-铁电池、锌空电池、锌离子电池以及超级电容器，具体讨论3D打印对器件性能影响的机制。

图1. DIW 3D打印储能器件的发展。

图2. 各种DIW 3D打印储能器件及其性能影响因素

本文系统的介绍了近年来DIW 3D打印储能器件的研究进展。着重讨论了如何通过3D打印各个因素对储能器件性能的影响，以及通过优化来加快离子和电子传输速率提高表面动力学从而提高倍率性能以及面能量密度。尽管DIW 3D打印储能器件这一领域取得了迅速和振奋人心的进展，但未来进一步的推动3D打印提高电化学储能仍然面临一些挑战。本文从原理、材料的选择、设计和优化策略到各种应用等方面存在的问题和挑战进行了分析和讨论，对今后DIW 3D打印储能器件的研究和突破进行了展望。

参考文献

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,