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3D打印制备石墨泡沫获成功

2021-02-02 09:38:20      点击:18    评论:0      来源:重庆科技报

电极材料新突破

崔雪芹

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。他们利用数字光处理和化学气相沉积两种现代工业技术,研制出了一种独特的3D中空石墨泡沫,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。

3D打印电极备受关注

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。由于3D打印可以实现快速成型,并且成本相对较低,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。

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。而常用电极材料中的碳基材料,如石墨烯和碳纳米管是柔性透明导电电极最常用的电极材料之一,拥有优异的电学、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柔性透明导电电极。

石墨泡沫具有高机械强度

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。该技术分辨率较低,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。

在数字光处理和化学气相沉积技术的支持下,该团队设计出了一种结构简单、多孔性好的轻质3D中空石墨泡沫。有限元计算和压缩试验证明,采用回转体多孔结构的多孔3D中空石墨泡沫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。

研究人员在石墨泡沫上进一步包覆二氧化锰纳米片,就可以直接用作超级电容器的电极材料,而不需要额外的黏合剂和集流体。而受益于其独特的中空多孔结构,不仅可以实现活性物质的高质量负载,而且还具有显著的高面积和体积电容。

有限元分析结果证实,预先设计的螺旋状多孔结构可提供均匀的应力区域,并减轻应力集中引起的潜在结构破坏趋势。实验结果显示在较低的材料密度下,制备的石墨泡沫可以实现高机械强度。“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。”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说道。

有望实现广泛应用

“今后,研发多功能电极3D打印技术、开发适合的3D打印材料体系、实现能源存储器件的一步打印,是我们不断探索的课题。”黄维进一步介绍说,在电极材料制造的同时,对研发高比容量和高比功率的能源存储器件要求越来越高,同时低成本、简易制造程序的工艺方法也能够帮助3D打印电极生产企业在市场占有一席之地。

毋庸置疑,与工业相关的、坚固耐用的金属电极仍然是大多数原型设备的首选材料。与传统方法相比,一些3D打印原型设备,从独特的电极结构(如表面孔隙率和粗糙度)到与打印能力相关的电化学电池设计,都显示出更好的性能。然而,不同类型的3D打印电极和不同打印技术的器件之间的差异还没有系统的研究,这方面的知识差距仍然很大。但西北工业大学柔性电子研究院教授官操认为,3D打印技术是对传统加工技术的有效补充,是一项具有划时代意义的战略性技术。目前,3D打印技术在能源存储领域的成果已初见端倪,多种打印技术和材料不断用于3D打印技术中,这将为3D打印技术在能源存储领域的发展带来机遇。

“可以相信的是,随着打印技术和材料的不断发展,未来具有良好耐久性、优异安全性

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