InfoMat:3D打印技术构筑电化学储能器件用高载量电极

近年来,物联网、5G通信、人工智能等行业的蓬勃发展对储能器件提出了越来越高的要求,研究者不断探索电化学储能器件的性能提升机制和方案。作为电化学储能器件的核心,电极材料备受关注。在过去的十几年里,研究者发展了一系列创新的材料制备策略,使许多电极材料的本征性能已接近或达到理论极限,为发展高性能电化学储能器件奠定了坚实的基础。然而,优异的电化学性能大多是在低活性物质负载量下实现的,远不能满足实际器件的应用需求。如何构建基于这些高本征活性材料的大载量电极是从根本上提升电化学储能器件性能的关键。

电极的传统制备过程包括浆料调制、涂覆以及干燥等步骤,难以实现对电极孔隙结构、电荷传输通道的精准调节,其性能随载量的提高急剧下降。因此,开发新型、高度可调的电极构筑方法对储能器件的性能提升至关重要。3D打印是一种新兴的计算机辅助增材制造技术,具有可控性好、灵活度高等特性,在调控电极的几何形状、厚度和孔隙结构等方面具有独特的优势,是一种理想的构筑高载量电极的技术。中国石油大学(华东)胡涵教授、吴明铂教授等详细综述了目前3D打印技术在制备高载量储能电极领域的研究进展。作者首先概述了构筑电极的常用3D打印工艺及其基本原理,随后系统讨论了不同3D打印工艺的优、缺点以及基于不同打印工艺所制电极的性能,最后展望了3D打印技术构筑高载量电极的下一步发展方向。

尽管3D打印技术构筑的电极可在高载量下实现优异的性能,但通过3D打印技术大规模制造高载量电极仍然面临挑战。首先,3D打印过程对原料要求严格,限制了原材料的选择范围;此外,添加剂去除过程可能会损害电极的机械性能。第二,当前的研究主要集中在电极的构筑上,对于封装材料、隔膜、集流体的关注较少,因此通过简易的工序制造出全3D打印的储能装置仍然较难。第三,每种类型的3D打印工艺都有局限性,系统集成不同3D 打印时一种工艺的缺点可能掩盖其他工艺的优点,限制了不同打印工艺的合理组合,协同优化。最后,目前大多数3D打印技术的分辨率仅在于微米级,难以精确调控纳米级孔隙。

解决上述问题需要不同学科背景研究人员的协作,作者在InfoMat上发表了题为“Three‐dimensional printing of high‐mass loading electrodes for energy storage applications”综述文章(DOI: 10.1002/inf2.12181),有望为相关领域学者的工作提供有价值的参考。

作者简介:

胡涵,中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室教授,博士生导师,国家高层次人才入选者;2014年于大连理工大学获博士学位,2014-2018年先后在新加坡南洋理工大学、德国莱布尼茨协会固态材料研究所以及澳大利亚昆士兰大学开展博士后研究。2018年3月加入中国石油大学(华东),主要致力于新能源材料、先进碳材料及无机非金属纳米材料的设计及控制制备研究,已在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Matter、Chem、Advanced Functional Materials、 ACS Nano等国际学术刊物上发表SCI论文50余篇。

吴明铂,中国石油大学(华东)新能源学院教授,常务副院长,2018年入选中组部万人计划科技创新领军人才,主要研究领域涉及功能碳材料的制备及其在催化、能量转换/存储和环境保护中的应用。作为第一完成人,获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖、教育部技术发明二等奖、山东省科技进步二等奖等多项科技奖励。已在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、 ACS Nano等国际学术刊物上发表SCI论文190余篇,出版学术专著2部。