東北工業(yè)學(xué)院黃偉教授、冠草院士團(tuán)隊(duì)和澳大利亞國立學(xué)院丁俊課題組利用光固化3D打印和物理液相沉積兩項(xiàng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)制備了一種金屬高機(jī)械性能和周期性微孔結(jié)構(gòu)。 泡沫石墨，最終成功實(shí)現(xiàn)了電極的高機(jī)械硬度和超高活性材料負(fù)載量。

相關(guān)成果以“”為題發(fā)表在國際知名期刊上（,:10./2020/）。

研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，對能源的需求不斷減少，這使得人們不斷探索更高能量密度和功率密度的儲能裝置。

然而，減少電極活性材料的負(fù)載量（例如小于-2）通常會(huì)導(dǎo)致活性材料的利用效率的提高。

采用互連微孔網(wǎng)絡(luò)的3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電極可以確保整個(gè)電極上的有效電荷傳輸，從而實(shí)現(xiàn)活性材料的高利用率。 隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，它已被廣泛應(yīng)用于3D電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效的儲能器件。

具有高霧度、低密度和優(yōu)異電物理穩(wěn)定性的3D打印石墨烯/石墨電極材料受到廣泛追捧。 目前，3D打印石墨烯/石墨電極材料的制備大多采用直寫墨水打印方法（擠出式）。

但由于該技術(shù)比特率較低（一般小于200μm），只能實(shí)現(xiàn)個(gè)體簡單的3D結(jié)構(gòu)（如網(wǎng)格、叉指結(jié)構(gòu)等），從而限制了其應(yīng)用。 據(jù)悉，這些3D碳材料的機(jī)械性能對于包裝和運(yùn)輸也至關(guān)重要，但之前的研究關(guān)注較少。

基于上述考慮，開發(fā)具有更高精度和奇特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型3D打印電極將非常有前途，這將帶來優(yōu)異的機(jī)械和電物理性能。

研究進(jìn)展

本文通過光固化3D打印和物理液相沉積兩種現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種獨(dú)特的具有周期性微孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)機(jī)械性能的3D空心石墨泡沫（HGF）（圖1）。

圖1 MnO2/HGF電極制備過程示意圖

有限元分析結(jié)果證實(shí)，預(yù)先設(shè)計(jì)的螺旋微孔結(jié)構(gòu)可以提供均勻的撓度區(qū)域，減少撓度集中引起的潛在結(jié)構(gòu)失效傾向。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低的材料密度（48.-3）下，制備的石墨泡沫可以達(dá)到較高的機(jī)械硬度（E=3.），其中圖2（A）是沿z方向相同的壓縮應(yīng)變，并且結(jié)構(gòu)的有限元模型及其撓度分布； 圖2(B)為超輕，圖2(C)為超硬性能展示； 圖2(D)為不同密度HGF的壓縮撓度-應(yīng)變曲線； 圖2(E)不同密度HGF的壓縮硬度和楊氏泊松比。

圖2 HGF的機(jī)械性能

當(dāng)泡沫石墨表面覆蓋超高負(fù)載量的MnO2（28.-2）時(shí)，MnO2/HGF可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高面積、體積和質(zhì)量比容量。

據(jù)悉，組裝的準(zhǔn)固態(tài)不對稱超級電容器還表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械和電物理性能（圖3）。

其中，圖3(A)為示意圖； 圖3(B)為CV曲線； 圖3(C)是基于HGF的非對稱超級電容器的表面電容，(C)中的插圖是EIS結(jié)果； 圖3(D)、(E)、(F)是基于整個(gè)元件面積、體積和活性材料質(zhì)量的水性和準(zhǔn)固態(tài)不對稱超級電容器的圖； 圖3（G）比較了非對稱超級電容器在原始狀態(tài)和受力狀態(tài)下的CV曲線； 圖3(H)是兩個(gè)基于HGF的超級電容器照明的LED在原始狀態(tài)和受力狀態(tài)下的照片； 圖3（I）顯示了基于HGF的非對稱超級電容器性能的循環(huán)。

圖3 基于HFG的準(zhǔn)固態(tài)超級電容器的電物理特性

未來展望

在電物理儲能領(lǐng)域，3D 打印能夠?qū)崿F(xiàn)快速構(gòu)建和組裝，有可能加速功能產(chǎn)品和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)。

該團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)和物理沉積技術(shù)，成功制備出具有微孔結(jié)構(gòu)和高力學(xué)性能的石墨泡沫，并實(shí)現(xiàn)了活性材料的高負(fù)載。

這些電極材料的制備策略將為先進(jìn)儲能器件的實(shí)際應(yīng)用提供新的道路。

關(guān)于作者

關(guān)曹，東北工業(yè)學(xué)院院長，主要從事柔性儲能元件研究，重點(diǎn)關(guān)注柔性儲能電極材料三維陣列的建立、柔性儲能元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升、研究陣列中空結(jié)構(gòu)納米材料、金屬有機(jī)骨架及其衍生物、柔性電物理儲能組件（超級電容器、水基電池板、鋅空氣電池板、鋰離子電池板等）、電物理催化、3D打印、原子層沉積技術(shù)和原位STEM等。

在Adv.、.Sci.、.等國際期刊發(fā)表SCI論文80余篇，論文被引用7300余次，H因子44，ESI高被引論文27篇，5篇ESI熱點(diǎn)論文。

榮獲2018年度飛翔海外學(xué)者、2019年度飛翔青年學(xué)者、2019、2020年度科睿唯安“高被引科學(xué)家”。

黃偉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、俄羅斯科技大學(xué)外籍教授、亞太工程組織聯(lián)合會(huì)主席。

有機(jī)電子學(xué)、塑料電子學(xué)、印刷電子學(xué)、生物電子學(xué)和柔性電子學(xué)科學(xué)家。

他是第一位從事聚合物發(fā)光晶閘管顯示研究的世界級學(xué)者，多年來活躍在有機(jī)電子和柔性電子領(lǐng)域。 是我國有機(jī)電子、塑料電子、柔性電子的奠基人和開拓者。

在柔性電子領(lǐng)域，以通訊作者或第一作者在世界頂級期刊等發(fā)表研究論文860余篇，被國際同行引用多次。 他是材料科學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域被高度引用的學(xué)者。