哈工大（深圳）魏軍團隊：3D打印超級電容器 - 技術、材料、設計及應用

便攜式、柔性和可穿戴電子設備的發展促進了高性能的電化學儲能設備的快速發展。與電池和燃料電池相比，超級電容器表現出顯著的優勢，具有優異的倍率性能、杰出的循環壽命和卓越的安全性。然而，超級電容器的能量密度相對較低，不足以為電子設備提供連續且穩定的電源。為了提高能量密度，厚電極設計是有效的手段。而在傳統的三明治結構的超級電容器中，平面電極的活性材料質量負載是相當有限的。設計三維多孔電極可以有效地提高活性物質的質量負載，同時保持較短的離子/電子傳輸距離和快速的反應動力學。但傳統的制備三維多孔電極的方法通常復雜、昂貴、耗時，并且很難精確控制電極的結構。

3D打印技術，通過計算機輔助設計/制造模型，對預定義的3D模型進行數字化控制，使得在短時間內精確控制和制造復雜結構成為可能。區別于傳統的等材和減材制造技術， 3D打印技術可以實現幾乎任何所需的立體幾何形狀，不需要所謂的模具或光刻掩模。這使得打印的超級電容器具有可調整的幾何結構、高度集成、節省時間和低成本、以及卓越的功率和能量密度。

為了總結這一領域的最新進展并為未來的研究提供設想，來自哈爾濱工業大學（深圳）的魏軍教授團隊，在Advanced Functional Materials上發表題為“3D Printed Supercapacitor: Techniques, Materials, Designs and Applications”的綜述文章，回顧了3D打印超級電容器的最新進展，如圖1所示。

圖1.  3D打印超級電容器研究進展

首先，介紹了用于制備超級電容器的代表性的3D打印技術，不同技術的原理圖和特點如圖2所示。

圖2. 制備超級電容器的各種3D打印技術的原理圖和特點

接下來，文章重點介紹了超級電容器的可打印模塊，包括電極、電解液和集流體，如圖3所示。

圖3. 用于3D打印超級電容器的材料

在研究合適的可打印材料的同時，制造中的打印設計對于優化超級電容器的性能也是重要的。因此，文章總結了電極的設計（圖4）、打印電極的后處理，并概括了3D打印超級電容器的不同構型（圖5）。

圖4. 3D打印電極的不同結構設計

圖5. 3D打印超級電容器的構型

此外，還總結了3D打印超級電容器的各種應用，包括柔性可穿戴電子設備（圖6）、自供電集成電子設備和傳感系統（圖7）。

圖6. 不同類型的智能響應型超級電容器

圖7. 3D打印的自供電集成系統，和超級電容器驅動的傳感器系統。

如圖8可知，目前制備的3D打印超級電容器的能量密度與鉛酸、鎳氫電池和鋰電池相當，有的甚至更高。

圖8. 3D打印超級電容器的 (a)質量Ragone圖， (b) 面積Ragone圖

最后，總結了目前3D打印技術的局限性和未來3D打印超級電容器的研究面臨的挑戰，并提出了一些可能的研究方向。

圖9. 3D打印超級電容器的未來展望

文章信息：

Mengrui Li, Shiqiang Zhou, Lukuan Cheng, Funian Mo, Lina Chen,* Suzhu Yu,* Jun Wei,* 3D Printed Supercapacitor: Techniques, Materials, Designs and Applications, Advanced Functional Materials, 2022, 202208034.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202208034

團隊負責人簡介

魏軍教授，現任哈爾濱工業大學（深圳）校長助理、深圳市柔性印刷電子技術重點實驗室主任、柔性印刷電子技術中心主任、材料科學與工程學院教授。在加盟哈爾濱工業大學（深圳）之前，魏軍教授是新加坡科技研究局(A*STAR)首席科學家。先后擔任新加坡科技研究局“工業增材制造”主題戰略研究計劃主任和項目負責人、新加坡制造技術研究院-南洋理工大學“增材制造”聯合實驗室主任、新加坡制造技術研究院-新加坡國立大學“大面積柔性復合電子聯合實驗室”主任、新加坡制造技術研究院柔性印刷電子研究室和連接技術研究室主任等職務。從事先進材料和制造技術基礎理論和工業應用研究三十多年，曾主持160多項研究課題以及和企業合作的項目，多項研究成果已被多家跨國公司實現產業化應用。目前主要從事納米材料和器件、柔性印刷電子和增材制造（3D打印）研究工作，在國際期刊和會議上發表論文800余篇，其中SCI收錄500余篇，論文被引2.5萬余次，谷歌學術H指數80，受邀參編5部英文專著，擁有發明專利80余項。

摩方精密簡介

摩方精密作為微納3D打印的先行者和領導者，擁有全球領先的超高精度打印系統，其面投影微立體光刻（PμSL）技術可應用于精密電子器件、醫療器械、微流控、微機械等眾多科研領域。在三維復雜結構微加工領域，摩方團隊擁有超過二十年的科研及工程實踐經驗。針對客戶在新產品開發中可能出現的工藝和材料難題，摩方將持續提供簡易高效的技術支持方案。