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利用3D打印技术制备石墨泡沫电极|黄伟教授官曹院士团队、君鼎班院士团队

时间:2023-08-17 13:00:43 点击:284次

东北工业学院黄伟教授、冠草院士团队和澳大利亚国立学院丁俊课题组利用光固化3D打印和物理液相沉积两项现代工业技术制备了一种金属高机械性能和周期性微孔结构。 泡沫石墨,最终成功实现了电极的高机械硬度和超高活性材料负载量。

相关成果以“”为题发表在国际知名期刊上(,:10./2020/)。

研究背景

随着社会的发展,对能源的需求不断减少,这使得人们不断探索更高能量密度和功率密度的储能装置。

然而,减少电极活性材料的负载量(例如小于-2)通常会导致活性材料的利用效率的提高。

采用互连微孔网络的3D结构设计的电极可以确保整个电极上的有效电荷传输,从而实现活性材料的高利用率。 随着3D打印技术的快速发展,它已被广泛应用于3D电极的结构设计,以实现高效的储能器件。

具有高雾度、低密度和优异电物理稳定性的3D打印石墨烯/石墨电极材料受到广泛追捧。 目前,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)。

但由于该技术比特率较低(一般小于200μm),只能实现个体简单的3D结构(如网格、叉指结构等),从而限制了其应用。 据悉,这些3D碳材料的机械性能对于包装和运输也至关重要,但之前的研究关注较少。

基于上述考虑,开发具有更高精度和奇特结构设计的新型3D打印电极将非常有前途,这将带来优异的机械和电物理性能。

研究进展

本文通过光固化3D打印和物理液相沉积两种现代工业技术,实现了一种独特的具有周期性微孔结构和强机械性能的3D空心石墨泡沫(HGF)(图1)。

图1 MnO2/HGF电极制备过程示意图

有限元分析结果证实,预先设计的螺旋微孔结构可以提供均匀的挠度区域,减少挠度集中引起的潜在结构失效倾向。

实验结果表明,在较低的材料密度(48.-3)下,制备的石墨泡沫可以达到较高的机械硬度(E=3.),其中图2(A)是沿z方向相同的压缩应变,并且结构的有限元模型及其挠度分布; 图2(B)为超轻,图2(C)为超硬性能展示; 图2(D)为不同密度HGF的压缩挠度-应变曲线; 图2(E)不同密度HGF的压缩硬度和杨氏泊松比。

图2 HGF的机械性能

当泡沫石墨表面覆盖超高负载量的MnO2(28.-2)时,MnO2/HGF可以同时实现高面积、体积和质量比容量。

据悉,组装的准固态不对称超级电容器还表现出优异的机械和电物理性能(图3)。

其中,图3(A)为示意图; 图3(B)为CV曲线; 图3(C)是基于HGF的非对称超级电容器的表面电容,(C)中的插图是EIS结果; 图3(D)、(E)、(F)是基于整个元件面积、体积和活性材料质量的水性和准固态不对称超级电容器的图; 图3(G)比较了非对称超级电容器在原始状态和受力状态下的CV曲线; 图3(H)是两个基于HGF的超级电容器照明的LED在原始状态和受力状态下的照片; 图3(I)显示了基于HGF的非对称超级电容器性能的循环。

图3 基于HFG的准固态超级电容器的电物理特性

未来展望

在电物理储能领域,3D 打印能够实现快速构建和组装,有可能加速功能产品和新结构的开发。

该团队利用3D打印技术和物理沉积技术,成功制备出具有微孔结构和高力学性能的石墨泡沫,并实现了活性材料的高负载。

这些电极材料的制备策略将为先进储能器件的实际应用提供新的道路。

关于作者

关曹,东北工业学院院长,主要从事柔性储能元件研究,重点关注柔性储能电极材料三维阵列的建立、柔性储能元件的结构优化与性能提升、研究阵列中空结构纳米材料、金属有机骨架及其衍生物、柔性电物理储能组件(超级电容器、水基电池板、锌空气电池板、锂离子电池板等)、电物理催化、3D打印、原子层沉积技术和原位STEM等。

在Adv.、.Sci.、.等国际期刊发表SCI论文80余篇,论文被引用7300余次,H因子44,ESI高被引论文27篇,5篇ESI热点论文。

荣获2018年度飞翔海外学者、2019年度飞翔青年学者、2019、2020年度科睿唯安“高被引科学家”。

黄伟,中国科学技术大学教授、俄罗斯科技大学外籍教授、亚太工程组织联合会主席。

有机电子学、塑料电子学、印刷电子学、生物电子学和柔性电子学科学家。

他是第一位从事聚合物发光晶闸管显示研究的世界级学者,多年来活跃在有机电子和柔性电子领域。 是我国有机电子、塑料电子、柔性电子的奠基人和开拓者。

在柔性电子领域,以通讯作者或第一作者在世界顶级期刊等发表研究论文860余篇,被国际同行引用多次。 他是材料科学和物理学领域被高度引用的学者。