中国地质大学|3D打印能量存储材料和器件的界面工程

来源： 学迹备忘录
第一作者：Jiaxuan Bai  中国地质大学
通讯作者：Xiaocong Tian（中国地质大学）、Zhigao Dai（中国地质大学）、Kun Zhou（南洋理工大学）
作者单位：中国地质大学（中国）、南洋理工大学（新加坡）

近年来，3D打印能量存储材料和器件（3DP-ESMDs）已成为先进能源领域中新兴且前沿的研究分支。为了实现令人满意的电化学性能，能量存储界面在蓬勃发展的基于ESMD的3D打印中起着决定性作用。因此，发展有效的界面工程路线以实现理想的3DP-ESMDs至关重要。该综述全面介绍了近期针对3DP-ESMDs的界面工程的最新进展，并提供了深入讨论。首先介绍了基本的界面工程原则。然后总结和阐述了包括3D打印启用的结构设计、成分修改、保护层设计以及3D打印器件优化在内的关键界面工程策略，并伴随着对通过重要界面工程策略实现的3D打印可充电电池和电化学电容器的开拓性工作的讨论。最后，提出了未来3DP-ESMDs中界面工程方法的展望。

电化学能源储存装置（EESDs）已成为便携式个人电子设备、电动汽车和大规模电网的不可或缺的组成部分。可充电电池和电化学电容器是被公认为具有高能量/功率密度、适中工作电压、长寿命、价格合理和良好环境友好性的有前途和先进的电化学能源储存装置。EESDs由几个基本器件组成，包括电极（例如阴极和阳极，通常由活性材料、导电添加剂和聚合物粘结剂组成）、电解质、隔膜、电流集电体和封装部分，这些器件的内在特性直接决定了装置的电化学行为。已经合成和开发了大量材料，以追求具有出色电化学性能和广泛应用范围的EESDs。先进制造技术被证明是出色的能量储存材料和器件（ESMDs）的关键因素。

三维打印，也称为增材制造，已成为一种颠覆性的制造技术，它利用逐层沉积原料材料来实现三维结构的原型。通过计算机辅助设计，可以对每个沉积层的可编程图案进行数字化设计。这种先进的制造技术在工业设计、电子、光子学、建筑、航空航天、医疗和能源等多个应用领域开辟了新的机会。利用3D打印技术，已经开发出了几种具有出色几何可控性和数字方式下的三维结构调控的电化学能源储存组件，可以方便地优化它们的物理和化学性质，从而获得出色的储能行为。此外，直接3D打印完整的EESDs也是可行的，显示出在实际的能源相关应用实例中具有重要潜力。

在过去的几十年中，3D打印技术迅速发展，已经开发出了几种3D打印技术和材料，为能源储存应用建立了广泛而先进的制造平台。一般来说，3D打印可以分为几个主要类别：光固化（例如光固化和数字光处理）、材料挤出（例如直接墨水写入（DIW）和熔融沉积建模）、粉床熔融（例如选择性激光烧结、多喷头熔融、选择性激光熔化和电子束熔化）、材料喷射、粘结剂喷射、定向能源沉积和层压。材料挤出被广泛应用并被认为是能源储存领域中最通用的和最具多功能的工具之一，由于其广泛的材料选择、低成本和易操作性。值得注意的是，其他3D打印技术具有令人信服的特点，如纳米级打印精度。最近，正在进行的技术创新（例如冷冻环境打印、同心圆打印和多喷头打印）也被证明是调控3D打印ESMDs结构/性质或优化制造过程的有效手段。在3D打印前后合理地调整材料也有利于进一步改善储能能力。无机、有机和复合纳米结构体系是代表性的有前途的3D打印候选材料，为先进能源储存领域提供了令人印象深刻的特性，补充了功能性3D打印领域。

目前，正在广泛开展3D打印电池和电化学电容器（超级电容器）组件和器件的构建。然而，常常忽视能源存储各组件之间的固有界面以及每个组件内部的相应界面，这对3DP-ESMDs的电荷载流子动力学和热力学产生重大影响。对于不同的应用领域，界面工程已经被广泛探索并被认为是克服界面问题的理想策略。对于能源存储的3D打印，它也可以揭示电荷存储机制，并推动最先进的3DP-ESMDs的发展。为了实现高效的能量储存，界面（例如电极-电解质界面）上的离子阻抗应该尽可能降到超低水平，这对于固态EESDs来说至关重要。界面效应在未来创新的3DP-ESMDs开发中发挥着重要作用。

该综述旨在通过总结关键界面因素和突出选定的界面工程策略，包括3D打印实现的结构设计、组分改性、保护层设计和3D打印器件优化，详细介绍3DP-ESMDs的界面工程进展，如下图所示。还全面讨论了通过合理的界面工程策略制备的最近进展的3D打印可充电电池和电化学电容器。此外，这篇文章还讨论了当前研究的现状、剩余的研究挑战和未来展望。

未来发展
随着3D打印技术在电化学能源储存领域的应用不断扩大，必须考虑一些关键因素以实现期望的性能。界面元素被认为是至关重要的，它显著决定了整体电化学性能。在这篇综述中，全面总结和讨论了重要的界面工程策略和最新进展。先前的开创性工作已经清楚地证明了各种界面工程策略对于先进的3D打印能源储存器件的重要性和效率。一些主要策略已被提出来改善3DP-ESMDs的界面电化学性质，例如增强界面电荷载流子传输、可逆界面反应、良好的界面接触和其他优化的内在界面性质，从而显著改善电化学行为。然而，值得注意的是，3DP-ESMDs的界面研究仍处于初级阶段，进一步的令人激动的研究有望推动该领域的发展。

首先，已经证明了合理的界面工程策略可以增强3DP-ESMDs的界面并同时改善整体电化学性能，这值得进一步关注和分析，同时进行精密的实验和计算设计。通过优化界面，可以不断实现优秀的电化学储能参数，如高安全性、高电容量、优越的速率性能和长寿命，推动3DP-ESMDs的实质性发展。因此，从提高电化学性能的角度来看，未来的界面工程研究对于实际应用仍然至关重要。值得注意的是，机械增强也值得关注，以开发理想的结构化3D打印EESD（如结构电池）。

其次，在下一代3DP-ESMDs的开发过程中，应专注于3D打印在电化学能源储存中的独特数字优势。目前的界面工程研究主要集中在非3D打印ESMDs上，限制了通过3D打印实现数字化制造的潜在好处。探索这个领域可以带来新的机遇和挑战，如可调微观结构、定制几何形状，甚至按需储能/输出，这可以彻底改变能源领域并加速有意义的进展。

第三，为了全面了解3DP-ESMDs在充放电循环过程中的界面关键电化学信息和演变，需要采用先进的表征技术。对于ESMDs的基本基础知识，如界面动力学、物理化学、反应和稳定性，深入了解潜在的电化学过程至关重要。这些见解可以指导研究人员开发新的3DP-ESMDs，并进一步改善它们的电化学性能。未来，急需更先进的表征技术，特别是原位和操作方法，以及3D打印实现的数字化方法。

最后，将新颖的与能源相关的特性融入多功能能源系统被认为是前沿研究方向。不同功能组件之间的界面应进行良好的优化，以实现全方位设计和集成。适当的界面工程策略可以为兼容稳定的界面做出贡献，从而产生新颖的能源集成系统。更重要的是，3D打印提供了一个优秀的制造平台，以数字化设计方式确保未来具有优化界面的尖端3DP-ESMDs的持续增长。

文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303035