藉助3D列印技術製備石墨泡沫電極 | 黃維院士、官操教授團隊和Jun Ding課題組合作新進展

2020-12-18 科技導報

西北工業大學黃維院士、官操教授團隊和新加坡國立大學Jun Ding課題組合作利用光固化3D列印和化學氣相沉積兩種現代工業技術，製備了一種具有高機械性能和周期性多孔結構的石墨泡沫，最終成功實現了電極的高機械強度和超高活性材料負載量。

相關成果以「Structure Enhanced Mechanically Robust Graphite Foam with Ultrahigh MnO2 Loading for Supercapacitors」為題發表在國際著名期刊Research上 （Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/7304767）。


研究背景

社會的發展對能源的需求不斷增加，促使著人們對具有更高能量密度和功率密度的儲能設備不斷探索。

然而，增加電極活性材料的負載量（例如，大於10 mg cm-2）通常會導致活性材料的利用效率降低。

設計有互連多孔網絡3D結構的電極可以確保整個電極的有效電荷傳輸，從而實現活性材料的高利用率。隨著3D列印技術的飛速發展，其已被廣泛用於3D電極的結構設計，實現高效的能量存儲設備。

具有高電導率，低密度和出色電化學穩定性的3D列印石墨烯/石墨電極材料已被廣泛的探索。目前，而3D列印石墨烯/石墨電極材料的製備大多採用直寫墨水列印方法（擠出式）。

然而，由於該技術解析度較低（通常大於200 µm），只能實現某些簡單的3D結構（如網格，叉指結構等），從而限制了其應用。此外，對於包裝，運輸而言，這種3D碳材料的機械性能也是必不可少的，然而之前的研究卻較少的關注。

基於上述考慮，開發具有更高精度和獨特結構設計的新型3D列印電極將是非常有前途的，這將帶來有優秀的機械性能和電化學性能。


研究進展

本文中，通過利用兩種現代工業技術，即光固化3D列印和化學氣相沉積，實現了一種獨特的3D中空石墨泡沫（HGF），它具有周期性的多孔結構和強大的機械性能（圖1）。

圖1 MnO2 / HGF電極的製備過程示意


有限元分析結果證實，預先設計的螺旋狀多孔結構可提供均勻的應力區域，並減輕應力集中引起的潛在結構破壞趨勢。

實驗結果顯示在較低的材料密度下（48.2 mg cm-3），製備的石墨泡沫可以實現高的機械強度（E=3.18 MPa），其中圖2（A）為沿z方向在相同壓縮應變下的Lattice，Primitive和Gyroid結構的有限元模型及其應力分布；圖2（B）為超輕、圖2（C）為超硬性能展示；圖2（D）為不同密度的HGF的壓縮應力-應變曲線；圖2（E）為不同密度的HGF的抗壓強度和楊氏模量。

圖二 HGF的機械性能


當石墨泡沫表面覆蓋超高載量的MnO2（28.2 mg cm-2）時，MnO2 / HGF可以同時實現高的面積、體積和質量比容量。

此外，組裝的準固態不對稱超級電容器同樣顯示出優秀的機械性能和電化學性能（圖3）。

其中圖3（A）為示意圖；圖3（B）為CV曲線；圖3（C）為基於HGF的非對稱超級電容器的面電容，（C）中的插圖是EIS結果；圖3（D）、（E）、（F）為基於整個器件面積、體積和活性材料質量的水性和準固態不對稱超級電容器的Ragone圖；圖3（G）為比較不對稱超級電容器在原始狀態和受壓狀態下的CV曲線；圖3（H）為在原始狀態和受壓狀態下，由兩個基於HGF的超級電容器點亮的LED的照片；圖3（I）展示了基於HGF的不對稱超級電容器的循環性能。

圖3 基於HFG的準固態超級電容器的電化學性能


未來展望

在電化學儲能中，3D列印能實現快速構建和組裝，從而有可能加速功能產品和新結構的開發。

該團隊藉助3D列印技術及化學沉積技術成功製備了具有多孔結構和高機械性能的石墨泡沫並實現了活性材料的高負載量。

這種電極材料的製備策略將為先進的能源存儲設備的實際應用提供一條新的道路。


作者簡介

官操，西北工業大學教授，主要從事柔性儲能器件的研究，圍繞柔性儲能電極材料的三維陣列化構建、結構優化和柔性儲能器件的性能提升，研究陣列化空心結構的納米材料、金屬有機框架及其衍生物、柔性電化學儲能器件（超級電容器、水系電池、鋅空氣電池、鋰離子電池等）、電化學催化、3D列印、原子層沉積技術和原位STEM等。

已在國際期刊發表SCI論文80多篇，包括Adv. Mater、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等。論文他引7300多次，H因子44， ESI高被引論文27篇，ESI熱點論文5篇。

獲2018 翱翔海外學者和2019翱翔青年學者，獲2019、2020科睿唯安「高被引科學家」。


黃維，中國科學院院士、俄羅斯科學院外籍院士、亞太工程組織聯合會主席。

有機電子、塑料電子、印刷電子、生物電子及柔性電子學家。

他是國際上最早從事高分子發光二極體顯示研究並長期活躍在有機電子學、柔性電子學領域的世界一流學者，是中國有機電子學科、塑料電子學科和柔性電子學科的奠基人與開拓者。

在柔性電子學領域，以通訊或第一作者身份在世界頂尖期刊Nature、Nature Materials等發表研究論文860餘篇，國際同行引用逾90000次，是材料科學與化學領域全球高被引學者。


來源：Research科學研究

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