廣油李澤勝團隊AFM綜述：通過3D打印技術從3D納米片活性磚構建柔性全固態(tài)超級電容器

來源：材料人

2022年9月28日，南極熊獲悉，廣東石油化工學院環(huán)境催化團隊的李澤勝副教授在國際權威期刊《Advanced Functional Materials》（一區(qū)Top，影響因子18.808）以”Constructing Flexible All-Solid-State Supercapacitors from 3D Nanosheets Active Bricks via 3D Manufacturing Technology: A Perspective Review”為題，發(fā)表前景展望綜述。廣東石油化工學院為論文第一完成單位，化學學院李澤勝副教授為論文第一通訊作者，化學工程學院李泊林博士為論文第一作者，廣西師范大學李慶余教授為第二通訊作者。

由于分級3D納米片獨特的幾何特性和電子結構，它們表現出優(yōu)異的電子遷移率、超高的比表面積和可靠的結構穩(wěn)定性。因此，3D納米片在電化學儲能領域具有很大的應用前景。近年來，超級電容器以其充放電快、循環(huán)壽命長、安全穩(wěn)定等優(yōu)點引起了廣泛關注。柔性化、小型化、智能化集成是超級電容儲能器件的發(fā)展方向。新興的3D打印技術，尤其是墨水直寫模式，極大地提高了器件微結構的設計能力和控制精度。本文基于作者或其他團隊前期對3D石墨烯納米片和3D MXene納米片的研究進展，提出利用先進的3D打印技術，利用活性3D納米片實現柔性全固態(tài)超級電容器的設計。具有高比電容的材料。系統分析了叉指電極、多層骨架電極和纖維電極3D打印技術的設計方法以及柔性超級電容器的性能評估。本綜述旨在為未來柔性全固態(tài)超級電容器的實際應用提供3D打印3D納米片構建材料的設計、制備和性能優(yōu)化的新概念和理論指導。本文提出利用先進的3D打印技術，利用具有高比電容的3D納米片活性材料，實現柔性全固態(tài)超級電容器的設計。系統分析了叉指電極、多層骨架電極和纖維電極3D打印技術的設計方法以及柔性超級電容器的性能評估。本綜述旨在為未來柔性全固態(tài)超級電容器的實際應用提供3D打印3D納米片構建材料的設計、制備和性能優(yōu)化的新概念和理論指導。本文提出利用先進的3D打印技術，利用具有高比電容的3D納米片活性材料，實現柔性全固態(tài)超級電容器的設計。系統分析了叉指電極、多層骨架電極和纖維電極3D打印技術的設計方法以及柔性超級電容器的性能評估。本綜述旨在為未來柔性全固態(tài)超級電容器的實際應用提供3D打印3D納米片構建材料的設計、制備和性能優(yōu)化的新概念和理論指導。

圖1：本綜述的大綱插圖

隨著個性化柔性電子產品（如柔性顯示、植入式醫(yī)療、可穿戴電子設備）的興起，對輕、薄、柔性的便攜式儲能設備的需求變得越來越迫切和尤為重要。作為柔性儲能器件的重要組成部分，柔性超級電容器以其充放電速度快（即功率密度高）、循環(huán)壽命長、體積小、效率高、和很強的靈活性。特別是柔性全固態(tài)超級電容器可以保證在許多機械變形（彎曲、折疊、扭轉、壓縮或拉伸）和無數次重復變形下持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出。這些優(yōu)勢確保了柔性全固態(tài)超級電容器是未來大多數柔性電子設備的良好且有前途的替代能源供應裝置。目前，關于3D納米片電極材料的設計和超級電容器的應用，評論層出不窮。最近，還發(fā)表了幾篇關于 3D 打印技術在柔性超級電容器中應用的總結著作。這些綜述分別為3D電極和柔性器件的設計提供了積極的指導意義。然而，3D納米片材料和3D打印技術在柔性全固態(tài)超級電容器中的共同總結和展望卻很少見。在這篇綜述論文中，我們討論了通過 3D 打印技術（或一些非打印技術）從 3D 納米片（作為微電極的活性磚）構建柔性全固態(tài)超級電容器。本綜述的主要內容包括：1）介紹了3D納米片材料的基本類別和制備方法，總結了高性能電極材料的一般設計原則；2）基于針對性的設計案例，總結了3D石墨烯、3D MXene等3D納米片的最新制備和應用進展；3）系統總結了基于3D打印技術（或其他技術）的3D納米片多樣化電極（微交叉電極、多層骨架電極、類纖維電極）的設計策略和全固態(tài)超級電容器應用；4）最后，我們還討論了3D打印技術在基于3D納米片的柔性全固態(tài)超級電容器的挑戰(zhàn)和機遇。

圖2 典型的 3D 石墨烯納米片：A-D）樹脂前體熱解的 3D 石墨烯網絡，E-H）氧化石墨熱解的 3D 石墨烯網絡，I-L）吐溫前體化學活化的 3D 類石墨烯多面體，M-P ) 通過甘蔗渣前體的模板催化制備 3D 類石墨烯納米籠。

圖3 基于 3D 打印技術 (DIW) 的叉指電極設計：A) 采用 VN/GO 和 V 2 O 5 /GO 墨水的不對稱電極，B) 采用 MXene/金屬納米線墨水的對稱電極，C) 采用 MXene/碳納米纖維墨水的對稱電極, D) 具有單一 MXene 墨水的對稱電極，E-G) 具有 MoS 2和 rGO 墨水的不對稱電極（噴墨打�。�。

圖4 基于3D打印技術的多層骨架電極設計(DIW): (A)對稱電極與氧化石墨烯墨水，(B和C)非對稱電極與MXene和AC墨水，(D和E)全3D打印全碳凝膠超級電容器。

圖5典型的光纖電化學器件: (A)平行雙纖模式，(B)扭曲雙纖模式，(C-E)雙層同軸光纖模式; 典型的3d打印光纖超級電容器:(F和G)多層同軸光纖超級電容器，(H)方截面光纖超級電容器。

在超級電容器領域，各種 3D 納米片構建材料（包括 3D 納米片粉末、3D 納米片薄膜和 3D 納米片氣凝膠）已被廣泛設計和制備，以提高電化學儲能效率。在 3D 納米片材料（如 3D 石墨烯和 3D MXene 納米片）的制備中，模板法是最廣泛的制備方法，包括固體球形模板（二氧化硅球和聚合物球）和原位模板（自發(fā)冰或定向冰晶） . 3D打印技術（如DIW）可以實現不同尺寸的多孔電極（如叉指電極、多層骨架電極、纖維電極）的有效設計，其中，多孔電極中離子和電荷轉移效率的顯著提高有效地提高了電容器在高負載下的倍率性能。3D 打印技術在利用 3D 納米片構建的電極材料設計柔性固態(tài)超級電容器方面顯示出廣闊的前景。此外，3D打印技術為引入電極設計等贗電容活性材料、精確調控其負載量和空間分布提供了極大便利，為開發(fā)具有超高能量密度的非對稱超級電容器材料提供了新途徑。在這篇綜述論文中，為了進一步提高全固態(tài)超級電容器的實際器件能量密度，我們提出構建可壓縮氣凝膠電極（即多孔骨架木樁電極），通過 3D 制造技術（3D 打印技術或其他技術），由高電容 3D 納米片活性磚（例如，3D 石墨烯、3D MXene 或其他金屬 3D 納米片）制成的緊湊型叉指電極、可穿戴纖維電極和柔性薄膜電極粉末）。目前，3D 打印技術已經從一些 3D 納米片粉末材料（例如，MXene 和 MoS2 3D 納米片粉末）用于全固態(tài)柔性或微型超級電容器。同時，通過超高比表面積“3-D 活化石墨烯納米片”3D 打印電極設計柔性全固態(tài)超級電容器似乎更可取和有吸引力。此外，我們還提出了不對稱水性全固態(tài)柔性超級電容器和非水性全固態(tài)柔性超級電容器的有前景的設計，以實現更高的電壓窗口和更高的能量密度。

論文網址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202201166