鄭州大學Mater.Today綜述：直寫式3D打印儲能器件

近年來電池以及超級電容器等電化學儲能器件研究進展迅速。研究人員開發(fā)了很多高性能的電極材料，但是利用傳統(tǒng)裝配電池技術在一定程度上限制其性能的提升。此外利用傳統(tǒng)技術很難將集成電路和電源系統(tǒng)直接集成在一起。3D打印技術為進一步提高電化學儲能器件性能以及快速集成提供了一種可行性方案。

在各種3D打印技術中，由于直寫式（DIW）3D打印可以非常靈活的制備出人工可控的分級多孔電極結構從而提高器件的面能量和功率密度，因此DIW 3D打印技術非常適合制備高性能電化學儲能器件。于此同時對DIW 3D打印技術提出了很高要求。因此有必要研究分析3D打印各個因素對器件性能的影響原因，包括選擇漿料各個組分的原則和方法，優(yōu)化電極和制備過程等，以及結合具體電化學儲能器件來討論3D打印對器件性能具體影響機制和結果。為進一步提高3D打印電化學儲能器件性能提供思路，也為未來DIW 3D打印儲能器件在一些特殊應用場景提供依據。

近日，鄭州大學王燁教授和新加坡科技與設計大學楊會穎教授合作在Materials Today上發(fā)表題為“Direct-ink writing 3D printed energy storage devices: From material selectivity, design and optimization strategies to diverse applications”的綜述文章。該文章系統(tǒng)的討論了DIW 3D打印技術對漿料各成分選擇的要求、3d打印儲能器件的設計原則和優(yōu)化策略，并總結了DIW 3D打印儲能器件的最新進展和研究現(xiàn)狀。論文第一作者是2019級碩士研究生嚴瑾。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.03.014

DIW 3D打印儲能器件的電化學性能受很多因素影響，比如漿料的配置、制備過程、器件結構、孔隙率/迂曲度以及封裝等。想要提高器件性能，需要從每一部分入手進行設計和優(yōu)化。文章具體介紹了DIW 3D打印漿料方面，需要從流變性能、溶劑、骨架物質/活性物質、粘合劑/添加劑/填充物等因素；制備過程包括打印參數（氣壓、針頭大小、針頭高度、打印速度、）和后處理（冷凍干燥、退火處理、刻蝕等）；器件結構/電極圖案；電極孔隙率和迂曲度、以及包裝等方面進行考慮和優(yōu)化的原則，并給出來一些典型的參數和例子。然后針對各種3D打印儲能器件，包括鋰/鈉離子電池、鋰硫/硒/氧電池、鋰/鈉金屬電池、鎳-鐵電池、鋅空電池、鋅離子電池以及超級電容器，具體討論3D打印對器件性能影響的機制。

圖1. DIW 3D打印儲能器件的發(fā)展。

圖2. 各種DIW 3D打印儲能器件及其性能影響因素

本文系統(tǒng)的介紹了近年來DIW 3D打印儲能器件的研究進展。著重討論了如何通過3D打印各個因素對儲能器件性能的影響，以及通過優(yōu)化來加快離子和電子傳輸速率提高表面動力學從而提高倍率性能以及面能量密度。盡管DIW 3D打印儲能器件這一領域取得了迅速和振奮人心的進展，但未來進一步的推動3D打印提高電化學儲能仍然面臨一些挑戰(zhàn)。本文從原理、材料的選擇、設計和優(yōu)化策略到各種應用等方面存在的問題和挑戰(zhàn)進行了分析和討論，對今后DIW 3D打印儲能器件的研究和突破進行了展望。

參考文獻

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,