西北工业大学黄维院士、官操教授与新加坡国立大学Jun Ding合作Research：借助3D打印技术制备石墨泡沫电极

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西北工业大学黄维院士、官操教授团队和新加坡国立大学Jun Ding课题组合作利用光固化3D打印和化学气相沉积两种现代工业技术，制备了一种具有高机械性能和周期性多孔结构的石墨泡沫，最终成功实现了电极的高机械强度和超高活性材料负载量。相关成果以“Structure Enhanced Mechanically Robust Graphite Foam with Ultrahigh MnO₂ Loading for Supercapacitors”为题发表在国际著名期刊Research上 （Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/7304767）。

研究背景

社会的发展对能源的需求不断增加，促使着人们对具有更高能量密度和功率密度的储能设备不断探索。然而，增加电极活性材料的负载量（例如，大于10 mg cm-2）通常会导致活性材料的利用效率降低。设计具有互连多孔网络3D结构的电极可以确保整个电极的有效电荷传输，从而实现活性材料的高利用率。

随着3D打印技术的飞速发展，其已被广泛用于3D电极的结构设计，实现高效的能量存储设备。具有高电导率，低密度和出色电化学稳定性的3D打印石墨烯/石墨电极材料已被广泛的探索。目前，而3D打印石墨烯/石墨电极材料的制备大多采用直写墨水打印方法（挤出式）。然而，由于该技术分辨率较低（通常大于200 µm），只能实现某些简单的3D结构（如网格，叉指结构等），从而限制了其应用。此外，对于包装，运输而言，这种3D碳材料的机械性能也是必不可少的，然而之前的研究却较少的关注。基于上述考虑，开发具有更高精度和独特结构设计的新型3D打印电极将是非常有前途的，这将带来有优秀的机械性能和电化学性能。

研究进展

本文中，通过利用两种现代工业技术，即光固化3D打印和化学气相沉积，实现了一种独特的3D中空石墨泡沫（HGF），它具有周期性的多孔结构和强大的机械性能（图1）。

 图1  MnO₂ / HGF电极的制备过程示意

有限元分析结果证实，预先设计的螺旋状多孔结构可提供均匀的应力区域，并减轻应力集中引起的潜在结构破坏趋势。实验结果显示在较低的材料密度下（48.2 mg cm^-3），制备的石墨泡沫可以实现高的机械强度（E=3.18 MPa），其中图2（A）为沿z方向在相同压缩应变下的Lattice，Primitive和Gyroid结构的有限元模型及其应力分布；图2（B）为超轻、图2（C）为超硬性能展示；图2（D）为不同密度的HGF的压缩应力-应变曲线；图2（E）为不同密度的HGF的抗压强度和杨氏模量。

图二  HGF的机械性能

当石墨泡沫表面覆盖超高载量的MnO₂（28.2 mg cm^-2）时，MnO₂ / HGF可以同时实现高的面积、体积和质量比容量。此外，组装的准固态不对称超级电容器同样显示出优秀的机械性能和电化学性能（图3）。其中图3（A）为示意图；图3（B）为CV曲线；图3（C）为基于HGF的非对称超级电容器的面电容，（C）中的插图是EIS结果；图3（D）、（E）、（F）为基于整个器件面积、体积和活性材料质量的水性和准固态不对称超级电容器的Ragone图；图3（G）为比较不对称超级电容器在原始状态和受压状态下的CV曲线；图3（H）为在原始状态和受压状态下，由两个基于HGF的超级电容器点亮的LED的照片；图3（I）展示了基于HGF的不对称超级电容器的循环性能。

图3  基于HFG的准固态超级电容器的电化学性能

未来展望

在电化学储能中，3D打印能实现快速构建和组装，从而有可能加速功能产品和新结构的开发。该团队借助3D打印技术及化学沉积技术成功制备了具有多孔结构和高机械性能的石墨泡沫并实现了活性材料的高负载量。这种电极材料的制备策略将为先进的能源存储设备的实际应用提供了一条新的道路。

原文链接
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/7304767/

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