EEM | 西北工业大学官操教授&新加坡国立大学丁军教授：3D打印下一代电化学能源存储设备：从多尺度到多材料
近日，西北工业大学官操教授&新加坡国立大学丁军教授在Energy & Environmental Materials上发表题为“3D Printing of Next-generation Electrochemical Energy Storage Devices: from Multiscale to Multimaterial”的研究型论文。第一作者为徐茜博士，通讯作者为官操教授、丁军教授。
引言
现代世界对电能的需求日益增加，促使人们积极研究兼具高能量密度和功率密度的更先进电化学储能器件(EESD)。广泛的新发现材料具有良好的电化学性能，在下一代器件中显示出巨大的潜力，但它们的性能通常与薄电极和高负荷的要求相矛盾，难以满足实际应用。设计三维(3D)多孔电极即使电极较厚的情况下也能保持有效电荷传输，同时增加质量负载。三维结构也被证明具有优异的结构稳定性，能够承受充电/放电循环过程中产生的强应变和应力。3D打印技术可以制造各种精致复杂的结构设计，为下一代EESD的合理设计和便捷构建提供了全新的机遇。综述了高性能下一代EESDs的3D打印技术的最新进展。进一步强调了高级/多尺度电极结构，如可以通过高分辨率3D打印或后处理构建的分级多孔结构。将涵盖当前3D打印技术实现多材质打印实现简单包装的能力。
文章简读
电池和超级电容器等电化学能源器件( EESD )受到人们从燃料向清洁能源转变的愿望的驱动，引起了人们极大的研究兴趣。随着微机电系统和可穿戴电子技术的出现，对EESD提出了更高的要求，对能量密度的要求越来越高，足迹也越来越小。大量工作记录了新型电极材料的发展，显示出良好的能量和功率密度。然而，这些新材料使用低负载量的二维超薄电极(≤1mg cm-2)所具有的优越性能并不适合转化为电极容量通常只有10 %的商用设备。常用的厚电流收集材料如泡沫镍，可以实现较高的活性物质负载量，但存在质量大和电荷传输受限的问题。
为了充分发挥这些电极材料的潜力，因此开发了3D多孔电极来解决厚电极中的电荷传输限制，并最大限度地利用给定的面积，质量负载远远超出2D电极的限制。在这里，我们将3D电极定义为具有非平面几何形状的电极，超越了传统的2D板、片和卷等。这种架构实现了优化配置，通过有效利用垂直尺寸来增加区域内EESD的能量密度。3D多孔结构具有连续导电网络和完全互连的分级孔隙率，被认为有利于电极之间以及电解质和电极界面中的电子和离子传输。除了功率和能量密度之外，EESD的一个主要实际考虑因素是寿命和安全性。在典型EESD的充电和放电循环期间会产生界面应力，这会对器件的容量和可循环性产生负面影响。具有多尺度结构的3D EESD的合理设计有助于减轻这些压力。设计新的电极结构可以解决当前EESD的界面电阻和稳定性问题。EESD的普遍性和对长期可持续性的日益增长的需求意味着未来的EESD应尽可能使用对环境无害且无毒的材料制成。新的电极材料需要在电解液中具有化学稳定性并与活性材料相容。此外，应尽可能使用单一/简单的制造程序，以实现更清洁和可扩展的过程。
增材制造(AM)，通常也称为3D打印，已成为具有高面积和体积容量的3D架构研究工作背后不可或缺的支持技术。AM在电化学的许多领域被广泛用于生产电极和器件，因为这种技术可以实现快速原型制作，并且短期运行成本低。目前，3D打印机不仅可以在许多研究实验室、车间，而且在我们的家中都可以找到，与传统制造相比，它突出了它的简单性和易用性。这种新型制造方法的易于实施以及可加工功能材料的范围不断扩大，促进了该领域的进一步发展，以探索在医学、艺术和工程中的各种应用。许多研究实验室和研发部门使用3D打印机正在积极评估和应对EESD发展中的上述挑战。3D打印有两个关键价值主张：1) 通过合理设计的几何形状提高性能；2) 通过减少加工步骤缩短价值链。3D打印制造工艺，例如光聚合和材料挤压，已被证明适用于 EESD 制造，创建可控/多尺度架构以及直接多材料器件制造。各种规模的质量和电荷传输促进了电化学能量的转换和存储。 现成的3D打印技术可以涵盖与电化学相关的各种特征尺寸。3D打印在EESD的应用中也非常灵活。它可以很容易地与不同的表面改性技术相结合，以产生所需的化学和形态。它创建复杂几何图形的能力还可以进一步利用来为材料创建多尺度模板，否则这些材料可能无法打印出所需的属性。3D打印的成熟意味着研究人员和EESD设计师可以使用最先进的打印机和后处理工具访问不断增长的可打印材料库。这使得能够打印电化学反应器主体的大部分。多材料打印能够集成EESD和外部电子设备，从而减少设备组装和封装的步骤数量，无论设计和产品复杂性如何，都可能实现成本节约。
图文简介图 1.不同3D打印技术的比较。(A) 一个蜘蛛网图，显示了采用不同3D打印技术的关键考虑因素；(B) 决定不同3D打印技术的分辨率限制的因素。
图 2. 用于3d打印金属、陶瓷和聚合物电极的常用后处理方法。
图 3. 采用3d打印多种不同电极材料。
图 4. 采用3d打印多材料能源储能设备。
文章链接Xi Xu, Yong Hao, Tan,Prof, Jun Ding*, Cao Guan*. 3D Printing of Next-generation Electrochemical Energy Storage Devices: from Multiscale to Multimaterial. Energy Environ. Mater. 2022. 5(2): 427-438. DOI: 10.1002/eem2.12175
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12175
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丁军，新加坡国立大学材料科学与工程系教授、副系主任。1986年毕业于德国伍珀塔尔大学物理学院，1990年在德国鲁尔大学完成博士学位。1991年至1997年加入西澳大学，后加入新加坡国立大学。 他的研究一直集中在增材制造上。 他的研究重点是开发用于制造具有巨大实际应用潜力的多材料和多功能器件/结构的新型 3D 可打印材料。
官操，西北工业大学柔性电子研究员教授、副主任。2009年在中国武汉大学物理学院获得学士学位，2013年在新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院完成博士学位。曾任该系研究员，新加坡国立大学材料科学与工程系，2014-2018年。主要从事柔性储能器件的研究，围绕复合电极材料的三维阵列化构建、结构优化和柔性储能器件的性能提升，研究阵列化空心结构的纳米材料、金属有机框架及其衍生物、柔性电化学储能器件、3D打印、原子层沉积技术和原位STEM等，已在国际期刊发表SCI论文90多篇。获2018翱翔海外学者和2019翱翔青年学者，获2019、2020科睿唯安“高被引学者”。担任InfoMat、Nanotechnology、Electronics的编委/青年编委，担任西北工业大学第二届学术委员会委员。
EEMEnergy&Environmental Materials（《能源与环境材料》）是由郑州大学主办的，同行评议的开放获取期刊，季刊
2022年IF 13.443
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