3D直书写打印在储能器件中的应用

来源： 化学工业与工程

3D直书写打印是一种较为理想的电极制造技术,可方便地制造结构复杂、孔隙均匀的储能器件,其在电解质传输、离子渗透等方面具有传统块状材料难以比拟的优势。首先介绍了电化学储能器件的框架结构,然后根据墨水直写技术对于储能器件性能提升的影响重点综述了基于氧化石墨烯、碳纳米管等碳材料、MXene层状材料以及聚合物凝胶墨水种类对于锂电池、镍铁电池、锌-空气电池等电极的制造与改性,并对近期不同材料改性的3D打印的储能器件性能进行了总结,最后对于该技术在应用中的发展前景及挑战提出了展望。

图 1 (a)墨水直书写打印;(b)交指结构电极;(c)木堆状结构电极;(d)纤维状电极

图 2 (a)多孔锂硫电池循环性能;(b)高硫负载3D打印面积比电容、库伦效率;(c)3D打印Li-SeS2正极循环性能及库伦效率

图 3 (a)锌-空气电池循环性能;(b)镍铁电池循环性能图

图 4 (a)高浓度氧化石墨烯打印电容器面积比电容;(b)碱性氧化石墨烯调节浆料性质;(c)3D打印气凝胶对称电容器模型及循环曲线;(d)功能化改性电容器循环曲线;(e)碳纳米管改性电容器及电极形变测试

图 5 (a)3D全打印交指状超级电容器;(b)钒基硫化超级电容器性能;(c)3D打印Zn离子超级电容器

图 6 全固态对称电容器打印流程

表 1 墨水直书写技术黏结剂种类及其性能总结

结论
主要阐述基于不同物质进行改性的浆料通过墨水直书写技术打印制得电极在电化学储能器件上的应用。墨水直书写技术的最大优点是可以通过计算机设计有序复杂的三维立体结构,从而获得更好的离子传输效率和更大的比表面积。然而该技术在储能器件的应用仍然面临一些挑战:(1)打印后的电极框架仍需要较为复杂的后处理,一步制备成形仍是工艺探索的方向。(2)为满足浆料非牛顿性质,黏合剂导电性普遍较差,高导电性黏合剂材料仍需进一步探索。(3)当前电极打印结构普遍拘泥于木堆状结构,3D打印电极空间设计亟待创新。总体来说,墨水直书写技术在储能器件领域应用拥有广阔前景。