3D 打印新型结构化超级电容器

3D打印技术由于其设计的可灵活性逐渐成为一种重要的工业技术,在汽车制造业,航空航天,新能源开发等诸多领域有着重要的应用和广阔的开发空间。但是,研究者对3D打印技术仍缺乏更加深入的意识,在打印设计中往往侧重点单一,因此并没有实现3D打印技术与功能化器件的灵活结合与利用。随着新能源产业的日趋升温,结合3D打印的新能源器件逐渐成为研究热点之一。赝电容超级电容器由于其较高的能量密度和功率密度,已经引起了广泛的研究关注。

伦敦帝国理工学院戴森设计学院Dr.Xinhua Liu和Dr. Billy Wu研究团队与Prof.Nigel P. Brandon(IC), Prof.Lesley Cohen(IC),和 Prof.Paul R. Shearing(UCL)团队合作,首次报告了3D直接金属激光烧结打印技术用于新型结构化赝电容超级电容器。通过调节不同的激光功率和扫描速度实现多级结构和不同孔隙度载体的可控打印,构建活性物质负载量高,循环稳定性好的赝电容超级电容器。通过电沉积技术原位在不锈钢基体表面沉积一层MnO2, Mn2O3 / PEDOT:PSS, 借助打印基底的多孔特性在15分钟短时间内达到较高的活性物质沉积量(9.2 mg cm-2)以及相应的高面积容量(1.5 F cm-2)。

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与常规追求密实结构的3D打印相反,我们通过调节打印条件得到孔隙度可控的多孔打印基底,这种多孔结构大大增加了表面积,不仅有利于电子的传输,更有利于活性物质的沉积,更重要的是,在经过多次循环充放电测试后,多孔结构与密实结构相比极大的减少了活性物质的脱落,有效增加了循环稳定性。在这里,x射线断层扫描用于量化沉积物分布状态及其沉积形态,经过循环充放电测试前后电极材料分布的对比,可以能够较好的证实循环寿命与活性物质保留量的关系,这也为储能器件的循环寿命衰减研究提供了新的表征途径。

3D打印在新能源方向的应用仍处于起步阶段,在构建轻便化,柔性以及可穿戴设备设备有巨大的研究潜力。我们期待本研究可以为新能源器件的开发提供一种新的设计思路,在传统的打印电化学活性物质的基础上,引导对集流体以及器件整体的设计和打印,为下一代新型结构化储能器件的研发抛砖引玉。相关论文在线发表于Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600167)上。