哈工大（深圳）魏軍團隊 AFM綜述：3D打印超級電容器 - 技術(shù),、材料,、設(shè)計及應(yīng)用

來源：高分子科技

便攜式、柔性和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展促進了高性能的電化學儲能設(shè)備的快速發(fā)展,。與電池和燃料電池相比,，超級電容器表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，具有優(yōu)異的倍率性能,、杰出的循環(huán)壽命和卓越的安全性,。然而，超級電容器的能量密度相對較低,，不足以為電子設(shè)備提供連續(xù)且穩(wěn)定的電源,。為了提高能量密度，厚電極設(shè)計是有效的手段,。而在傳統(tǒng)的三明治結(jié)構(gòu)的超級電容器中,，平面電極的活性材料質(zhì)量負載是相當有限的。設(shè)計三維多孔電極可以有效地提高活性物質(zhì)的質(zhì)量負載,，同時保持較短的離子/電子傳輸距離和快速的反應(yīng)動力學,。但傳統(tǒng)的制備三維多孔電極的方法通常復(fù)雜、昂貴,、耗時,，并且很難精確控制電極的結(jié)構(gòu)。

3D打印技術(shù),，通過計算機輔助設(shè)計/制造模型,，對預(yù)定義的3D模型進行數(shù)字化控制，使得在短時間內(nèi)精確控制和制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)成為可能,。區(qū)別于傳統(tǒng)的等材和減材制造技術(shù),， 3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)幾乎任何所需的立體幾何形狀，不需要所謂的模具或光刻掩模,。這使得打印的超級電容器具有可調(diào)整的幾何結(jié)構(gòu),、高度集成,、節(jié)省時間和低成本、以及卓越的功率和能量密度,。
為了總結(jié)這一領(lǐng)域的最新進展并為未來的研究提供設(shè)想,，來自哈爾濱工業(yè)大學（深圳）的魏軍教授團隊，在Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“3D Printed Supercapacitor: Techniques, Materials, Designs and Applications”的綜述文章,，回顧了3D打印超級電容器的最新進展,，如圖1所示。

圖1.  3D打印超級電容器研究進展

首先,，介紹了用于制備超級電容器的代表性的3D打印技術(shù),，不同技術(shù)的原理圖和特點如圖2所示。

圖2. 制備超級電容器的各種3D打印技術(shù)的原理圖和特點

接下來,，文章重點介紹了超級電容器的可打印模塊,，包括電極、電解液和集流體,，如圖3所示,。

圖3. 用于3D打印超級電容器的材料

在研究合適的可打印材料的同時，制造中的打印設(shè)計對于優(yōu)化超級電容器的性能也是重要的,。因此,，文章總結(jié)了電極的設(shè)計（圖4）、打印電極的后處理,，并概括了3D打印超級電容器的不同構(gòu)型（圖5）,。

圖4. 3D打印電極的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5. 3D打印超級電容器的構(gòu)型

此外，還總結(jié)了3D打印超級電容器的各種應(yīng)用,，包括柔性可穿戴電子設(shè)備（圖6）,、自供電集成電子設(shè)備和傳感系統(tǒng)（圖7）。

圖6. 不同類型的智能響應(yīng)型超級電容器

圖7. 3D打印的自供電集成系統(tǒng),，和超級電容器驅(qū)動的傳感器系統(tǒng),。

如圖8可知，目前制備的3D打印超級電容器的能量密度與鉛酸,、鎳氫電池和鋰電池相當,，有的甚至更高。

圖8. 3D打印超級電容器的 (a)質(zhì)量Ragone圖,， (b) 面積Ragone圖

最后,，總結(jié)了目前3D打印技術(shù)的局限性和未來3D打印超級電容器的研究面臨的挑戰(zhàn)，并提出了一些可能的研究方向,。

圖9. 3D打印超級電容器的未來展望

關(guān)于作者

魏軍教授,，現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學（深圳）校長助理、深圳市柔性印刷電子技術(shù)重點實驗室主任、柔性印刷電子技術(shù)中心主任,、材料科學與工程學院教授,。在加盟哈爾濱工業(yè)大學（深圳）之前，魏軍教授是新加坡科技研究局(A*STAR)首席科學家,。先后擔任新加坡科技研究局“工業(yè)增材制造”主題戰(zhàn)略研究計劃主任和項目負責人,、新加坡制造技術(shù)研究院-南洋理工大學“增材制造”聯(lián)合實驗室主任、新加坡制造技術(shù)研究院-新加坡國立大學“大面積柔性復(fù)合電子聯(lián)合實驗室”主任,、新加坡制造技術(shù)研究院柔性印刷電子研究室和連接技術(shù)研究室主任等職務(wù),。從事先進材料和制造技術(shù)基礎(chǔ)理論和工業(yè)應(yīng)用研究三十多年，曾主持160多項研究課題以及和企業(yè)合作的項目,，多項研究成果已被多家跨國公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前主要從事納米材料和器件,、柔性印刷電子和增材制造（3D打�,。┭芯抗ぷ鳎�在國際期刊和會議上發(fā)表論文800余篇,，其中SCI收錄500余篇,，論文被引2.5萬余次，谷歌學術(shù)H指數(shù)80,，受邀參編5部英文專著,，擁有發(fā)明專利80余項。

文章信息：
Mengrui Li, Shiqiang Zhou, Lukuan Cheng, Funian Mo, Lina Chen,* Suzhu Yu,* Jun Wei,* 3D Printed Supercapacitor: Techniques, Materials, Designs and Applications, Advanced Functional Materials, 2022, 202208034.

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202208034