黄维院士团队借助3D打印制备超轻石墨电极材料

为实现高效的能量存储设备，3D 打印正被广泛应用于电化学领域。近日，西北工业大学团队和新加坡国立大学增材制造实验室合作新成果让业界为之一振。

联合团队利用数字光处理（DLP）和化学气相沉积（CVD）两种现代工业技术，研制出一种独特的 3D 中空石墨泡沫（HGF），其具有周期性的多孔结构和良好的力学性能，成功实现了电极的高机械强度和超高活性材料负载量。成果论文发表在 《探索》上 。

“该成果不仅为制备具有优秀机械强度和电化学性能的电极材料提供了一种新的方法，同时也为先进能源存储设备的规模化应用提供了一条新的道路。”论文通讯作者、中国科学院院士、西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维告诉《中国科学报》。

异军突起

随着社会的高速发展，人们对能源的需求不断增加，希望找寻一种可循环再生的绿色能源。3D 打印可以实现快速成型，成本相对较低，因此广受关注。

在过去几年中，大量研究使用 3D 打印来创建电化学能量转换和存储的电极/设备，专家们在该领域已经取得了不小的进步，但仍有许多挑战和缺点需要去被解决。 

自2018年起，西北工业大学团队便致力于开发具有更高精度和独特结构设计的新型 3D 打印电极。

电极材料机械性能展示

“团队自成立以来，通过3D打印技术实现高性能电极的定制化和产业化是一直以来奋斗的目标。通过选择不同的打印技术、结构设计和打印材料用于实现电极材料多样化的定制。” 论文通讯作者、西北工业大学柔性电子研究院教授官操介绍说。

目前，由于3D打印电极可以提供更高的活性材料负载量从而实现更高的能量密度和功率密度，3D打印技术在包括金属离子电池、金属空气电池和超级电容器等能源存储领域的研究逐渐火热起来。

3D 打印技术包括熔融沉积建模（FDM）、喷墨打印（Ink jetting）、选择激光熔融（SLM）和立体光刻（SLA）等。

电极作为导电介质中输入或导出电流的组件，多年来科学家们不断调整其组成及其产生的化学反应，以追求更好的电池性能。而常用的电极材料包括金属、金属氧化物、金属碳化物、金属硫化物、碳基材料、导电聚合物、金属有机框架材料 (MOFs) 及其复合材料等。

其中碳基材料，如石墨烯和碳纳米管（CNTs）是柔性透明导电电极（FTCEs）最常用的电极材料之一，有着优异的电学、光学和机械性能。高质量的石墨烯以其导电性好、机械柔韧性强和光学透明度高、化学稳定性好的特点被广泛应用于制备 FTCEs。

然而，本文作者之一、新加坡国立大学团队带头人丁军教授表示，目前针对3D打印技术的实际运用的探索依旧存在一定局限。

机械稳定性压倒一切

目前，3D 打印技术制备薄膜电极主要有挤出式和喷墨式两种方法，两种方法的工作原理尽管较为类似，但所用墨水的性质有较大差异。

而由于越来越多对于三维电极构筑的需求，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）。

由于该技术分辨率较低通常大于 200μm，只能实现某些简单的 3D 结构如网格、叉指结构等，因而限制了其应用。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关注。

开发出什么样的电极更具前途，并能带来优秀的机械性能和电化学性能呢？

“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。”官操表示。

在DLP和CVD的帮助下，该团队设计出了一种结构简单、多孔性好的轻质HGF。

“有限元计算和压缩试验证明，采用回转体多孔结构的多孔HGF可以有效地防止应力集中引起的结构失效，从而保持机械的稳定性。”官操介绍说，机械的稳定性压倒一切。