基于挤出工艺的3d打印超级电容器：最近的进展和挑战

第一作者：闫啸，佟月宇，王新中

通讯作者：梁骥教授

作者单位：深圳信息职业技术学院，天津大学

为了促进碳达峰和碳中和，实现可持续发展，世界各国均致力于能源结构调整，从不可再生的化石能源（煤炭、石油等）逐渐转向清洁能源（太阳能、潮汐能、风能等）。高效的电化学储能设备将在持续的能源需求和可再生能源的间歇性供给间发挥重要的桥梁作用。为确保能源安全和充分利用，电化学储能设备需要兼具可靠性与兼容性，以满足从电动汽车到家用电子产品等各种应用需求。超级电容器因其高功率密度、优越的稳定性、易集成性和安全性，是极具应用前景的储能设备。    

另一方面，近年来，便携、可穿戴、可植入电子设备和“物联网”的蓬勃发展，对超级电容器的功能结构、小型化和快速制造等提出了额外的要求。基于挤出工艺的3D打印技术具有高度灵活性，有望满足超级电容器高度集成和柔性制备的需求。但是，受限于可选的打印材料，需要深入解析的超级电容器储能机理、打印技术及后处理工艺的优化，对于全配件3D打印超级电容器的大规模精准制造仍然存在巨大挑战。

【文章简介】

近日，深圳信息职业技术学院的闫啸博士联合天津大学梁骥教授在Energy & Environmental Materials上发表以“Extrusion-based 3D-Printed Supercapacitors: Recent Progress and Challenges”（doi:10.1002/eem2.12260）为题的综述文章，从超级电容器的基本概念（储能机理、器件结构）出发，介绍了基于挤压的3D打印技术（熔融沉积成型，喷墨印刷，墨水直写技术）用于制造超级电容器的相关研究进展。

3D打印超级电容器的原理图

该综述首先阐述了超级电容器储存能量的反应机理和器件结构。其次，该综述从三种最常用的基于挤出工艺的3D打印技术（熔融沉积成型，喷墨印刷，墨水直写技术）入手，全面介绍并深入剖析了各方法对打印材料选择的差异，同时对所得器件结构特点进行了详细的描述。通过对相关代表性研究工作的介绍，作者比较并归纳了不同打印技术的优缺点，并总结了打印方法、打印材料及器件结构的关系。最后，作者在本综述的总结与展望部分对基于挤出工艺的3D打印技术的研究前景进行了展望，提出了一系列亟待解决的问题，例如可选打印材料的品种比较有限，需进一步开发适于3D打印的新材料；能量储存机理需要进一步挖掘以实现可控的电极/电解液界面反应；优化打印技术以获得更高的精确度、分辨率及重复率，以促进该技术的商业化应用等。作者希望该综述可以为从事3D打印超级电容器的研究者提供重要借鉴。

Xiao Yan, Yueyu Tong, Xinzhong Wang, Feng Hou, Ji Liang, Extrusion-based 3D-Printed Supercapacitors: Recent Progress and Challenges, Energy & Environmental Materials, 2021, https://doi.org/10.1002/eem2.12260

作者简介：

梁骥 天津大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。梁骥教授于2014年获澳大利亚阿德莱德大学博士学位，先后获中国科学院金属研究所葛庭燧奖研金项目、澳大利亚研究理事会（ARC）青年学者奖（DECRA）等项目的支持。与2019年加入天津大学材料科学与工程学院，从事纳米储能材料与器件的基础及应用研究，所开发的材料用于新型非贵金属催化、锂硫电池、锂离子电池等领域。梁骥教授针对电催化及电池应用的具体要求，对材料的结构和表面化学进行设计和调控，得到了一系列的高性能电催化/电池材料，同时结合理论模拟，揭示了这类非（贵）金属材料在上述电化学体系中的反应机制。近年来，其研究成果以学术论文的形式在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Energy & Environ. Sci., Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Storage Mater.等期刊发表文章一百余篇，其中多篇以封面、内封面、封底的形式发表，参与编写英文书籍多部，其学术成果累计引用8600余次。