哈工大（深圳）魏軍團(tuán)隊(duì) AFM綜述：3D打印超級電容器 - 技術(shù)、材料、設(shè)計(jì)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(jìn)了高性能的電化學(xué)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(jì)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(fù)載是相當(dāng)有限的。設(shè)計(jì)三維多孔電極可以有效地提高活性物質(zhì)的質(zhì)量負(fù)載，同時(shí)保持較短的離子/電子傳輸距離和快速的反應(yīng)動力學(xué)。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(shí)，并且很難精確控制電極的結(jié)構(gòu)。

3D打印技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造模型，對預(yù)定義的3D模型進(jìn)行數(shù)字化控制，使得在短時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)展并為未來的研究提供設(shè)想，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的魏軍教授團(tuán)隊(duì)，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(jìn)展，如圖1所示。

圖1.  3D打印超級電容器研究進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)

接下來，文章重點(diǎn)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(shí)，制造中的打印設(shè)計(jì)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(jì)（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(jì)

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(dāng)，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(xué)（深圳）校長助理、深圳市柔性印刷電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、柔性印刷電子技術(shù)中心主任、材料科學(xué)與工程學(xué)院教授。在加盟哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）之前，魏軍教授是新加坡科技研究局(A*STAR)首席科學(xué)家。先后擔(dān)任新加坡科技研究局“工業(yè)增材制造”主題戰(zhàn)略研究計(jì)劃主任和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、新加坡制造技術(shù)研究院-南洋理工大學(xué)“增材制造”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任、新加坡制造技術(shù)研究院-新加坡國立大學(xué)“大面積柔性復(fù)合電子聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xiàng)研究課題以及和企業(yè)合作的項(xiàng)目，多項(xiàng)研究成果已被多家跨國公司實(shí)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�，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(xué)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(xiàng)。

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