哈工大(深圳)魏军团队:3D打印超级电容器 - 技术、材料、设计及应用

发布日期:2022-11-11

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便携式、柔性和可穿戴电子设备的发展促进了高性能的电化学储能设备的快速发展。与电池和燃料电池相比,超级电容器表现出显著的优势,具有优异的倍率性能、杰出的循环寿命和卓越的安全性。然而,超级电容器的能量密度相对较低,不足以为电子设备提供连续且稳定的电源。为了提高能量密度,厚电极设计是有效的手段。而在传统的三明治结构的超级电容器中,平面电极的活性材料质量负载是相当有限的。设计三维多孔电极可以有效地提高活性物质的质量负载,同时保持较短的离子/电子传输距离和快速的反应动力学。但传统的制备三维多孔电极的方法通常复杂、昂贵、耗时,并且很难精确控制电极的结构。

 

3D打印技术,通过计算机辅助设计/制造模型,对预定义的3D模型进行数字化控制,使得在短时间内精确控制和制造复杂结构成为可能。区别于传统的等材和减材制造技术, 3D打印技术可以实现几乎任何所需的立体几何形状,不需要所谓的模具或光刻掩模。这使得打印的超级电容器具有可调整的几何结构、高度集成、节省时间和低成本、以及卓越的功率和能量密度。

 

为了总结这一领域的最新进展并为未来的研究提供设想,来自哈尔滨工业大学(深圳)的魏军教授团队,在Advanced Functional Materials上发表题为“3D Printed Supercapacitor: Techniques, Materials, Designs and Applications”的综述文章,回顾了3D打印超级电容器的最新进展,如图1所示。

 

3D打印超级电容器研究进展

图1.  3D打印超级电容器研究进展

 

首先,介绍了用于制备超级电容器的代表性的3D打印技术,不同技术的原理图和特点如图2所示。

 

制备超级电容器的各种3D打印技术的原理图和特点

图2. 制备超级电容器的各种3D打印技术的原理图和特点

 

接下来,文章重点介绍了超级电容器的可打印模块,包括电极、电解液和集流体,如图3所示。

 

用于3D打印超级电容器的材料

图3. 用于3D打印超级电容器的材料

 

在研究合适的可打印材料的同时,制造中的打印设计对于优化超级电容器的性能也是重要的。因此,文章总结了电极的设计(图4)、打印电极的后处理,并概括了3D打印超级电容器的不同构型(图5)。

 

3D打印电极的不同结构设计

图4. 3D打印电极的不同结构设计

 

3D打印超级电容器的构型

图5. 3D打印超级电容器的构型

 

此外,还总结了3D打印超级电容器的各种应用,包括柔性可穿戴电子设备(图6)、自供电集成电子设备和传感系统(图7)。

 

不同类型的智能响应型超级电容器

图6. 不同类型的智能响应型超级电容器

 

3D打印的自供电集成系统,和超级电容器驱动的传感器系统

图7. 3D打印的自供电集成系统,和超级电容器驱动的传感器系统。

 

如图8可知,目前制备的3D打印超级电容器的能量密度与铅酸、镍氢电池和锂电池相当,有的甚至更高。

 

3D打印超级电容器

图8. 3D打印超级电容器的 (a)质量Ragone图, (b) 面积Ragone图

 

最后,总结了目前3D打印技术的局限性和未来3D打印超级电容器的研究面临的挑战,并提出了一些可能的研究方向。

 

3D打印超级电容器的未来展望

图9. 3D打印超级电容器的未来展望

 

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.

原文链接:

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

 

团队负责人简介

 

 

魏军教授,现任哈尔滨工业大学(深圳)校长助理、深圳市柔性印刷电子技术重点实验室主任、柔性印刷电子技术中心主任、材料科学与工程学院教授。在加盟哈尔滨工业大学(深圳)之前,魏军教授是新加坡科技研究局(A*STAR)首席科学家。先后担任新加坡科技研究局“工业增材制造”主题战略研究计划主任和项目负责人、新加坡制造技术研究院-南洋理工大学“增材制造”联合实验室主任、新加坡制造技术研究院-新加坡国立大学“大面积柔性复合电子联合实验室”主任、新加坡制造技术研究院柔性印刷电子研究室和连接技术研究室主任等职务。从事先进材料和制造技术基础理论和工业应用研究三十多年,曾主持160多项研究课题以及和企业合作的项目,多项研究成果已被多家跨国公司实现产业化应用。目前主要从事纳米材料和器件、柔性印刷电子和增材制造(3D打印)研究工作,在国际期刊和会议上发表论文800余篇,其中SCI收录500余篇,论文被引2.5万余次,谷歌学术H指数80,受邀参编5部英文专著,拥有发明专利80余项。

 

 

摩方精密简介

 

摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者,拥有全球领先的超高精度打印系统,其面投影微立体光刻(PμSL)技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域,摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题,摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。

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