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直写式3D打印使用墨水挤出，有望将传统的2D薄电极转变为3D厚结构，用于高性能超级电容器。然而，配制3D打印墨水和设计电极的3D结构仍然面临挑战。在这项工作中，开发了一种具有优异流变性能的新型MXene/石墨烯氧化物/木质素磺酸盐（MGL）墨水，用于3D打印具有垂直排列结构的MGL厚电极。MGL墨水表现出优异的剪切稀化性能，可实现平滑的3D打印和打印后的形状保持。3D打印的MGL厚电极，厚度可达4毫米，实现了72.1 mg cm^-2的突破性质量负载，resulting in一个极高的面积比电容，达到8.6 F cm^-2，是块状MGL电极（0.9 F cm^-2）的9.6倍。此外，使用3D MGL电极的超级电容器达到了505.3 μWh cm^-2的能量密度，显著超过了块状MGL电极（52.8 μWh cm^-2）的值。这种增强归因于电极的高效设计，其中3D MGL电极中的垂直排列孔增强了离子传输和反应动力学。这项研究展示了配制墨水的创新方法，并为设计具有快速离子传输和优异电化学性能的3D厚电极提供了指导。
研究创新点
1. 新型MGL墨水配方：
- 开发了MXene、石墨烯氧化物和木质素磺酸盐的复合墨水。
- 墨水具有优异的流变性能，适合3D打印。
2. 3D打印厚电极设计：
- 成功打印出厚度达4毫米的电极结构。
- 实现了垂直排列的孔结构，显著提高了离子传输效率。
3. 突破性质量负载：
- 电极质量负载达到72.1 mg cm^-2，远超传统电极。
4. 卓越的电化学性能：
- 面积比电容达8.6 F cm^-2，是块状电极的9.6倍。
- 能量密度达505.3 μWh cm^-2，显著优于传统电极。
5. 多功能材料组合：
- 结合了MXene的高导电性、石墨烯氧化物的大比表面积和木质素磺酸盐的粘结特性。
对科研工作的启发
1. 多学科融合：
- 结合材料科学、3D打印技术和电化学，解决能源存储难题。
2. 结构设计的重要性：
- 通过精心设计的3D结构，大幅提升材料性能。
3. 生物质材料的应用：
- 利用木质素磺酸盐等生物质材料，提高材料的环境友好性。
4. 尺度效应研究：
- 探讨从2D到3D结构转变对材料性能的影响。
5. 材料协同效应：
- 利用不同材料的优势，创造性能优异的复合材料。
思路延伸
1. 墨水配方优化：
- 探索不同MXene、石墨烯氧化物和木质素磺酸盐的比例对性能的影响。
- 研究其他功能添加剂对墨水性能的影响。
2. 3D打印参数研究：
- 深入研究打印速度、温度等参数对电极结构和性能的影响。
- 开发智能打印算法，优化电极的微观结构。
3. 电极结构设计创新：
- 探索其他复杂3D结构，如梯度孔结构或分级结构。
- 研究电极表面修饰对性能的影响。
4. 应用领域拓展：
- 探索该技术在其他能源存储设备（如锂离子电池、燃料电池）中的应用。
- 研究在柔性和可穿戴设备中的潜在应用。
5. 原位表征技术开发：
- 开发适用于3D打印过程的原位表征方法，实时监测结构形成过程。
6. 长期稳定性研究：
- 评估3D打印电极在长期循环和不同环境条件下的稳定性。
- 研究结构演变对长期性能的影响。
7. 大规模生产可行性：
- 探索MGL墨水的大规模生产方法。
- 研究3D打印电极的批量制造技术。
8. 环境友好性评估：
- 进行全生命周期分析，评估该技术的环境影响。
- 探索回收和再利用3D打印电极材料的方法。
这项研究为高性能超级电容器电极的设计和制造提供了新的思路。通过创新的材料组合和先进的3D打印技术，实现了电极性能的显著提升。这不仅推动了能源存储技术的发展，也为其他功能材料的3D打印制造开辟了新的可能性。
原文链接
Advanced MXene/Graphene Oxide/Lignosulfonate Inks for 3D Printing Thick Electrodes with Vertically Aligned Pores to Dually Boost Mass Loading and Areal Capacitance
- Adv. Funct. Mater. (IF 18.5)
- Pub Date : 2024-09-09
- DOI : 10.1002/adfm.202413343
- Haichuan Ye 1,2 , Yuan He 1,2 , Tingting You 1,2 , Feng Xu 1,2
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