廣油李澤勝團隊AFM綜述：通過3D打印技術(shù)從3D納米片活性磚構(gòu)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(quán)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(jié)構(gòu)，它們表現(xiàn)出優(yōu)異的電子遷移率、超高的比表面積和可靠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，3D納米片在電化學儲能領(lǐng)域具有很大的應(yīng)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(guān)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(shù)，尤其是墨水直寫模式，極大地提高了器件微結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shù)，利用活性3D納米片實現(xiàn)柔性全固態(tài)超級電容器的設(shè)計。具有高比電容的材料。系統(tǒng)分析了叉指電極、多層骨架電極和纖維電極3D打印技術(shù)的設(shè)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(yīng)用提供3D打印3D納米片構(gòu)建材料的設(shè)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(shù)，利用具有高比電容的3D納米片活性材料，實現(xiàn)柔性全固態(tài)超級電容器的設(shè)計。系統(tǒng)分析了叉指電極、多層骨架電極和纖維電極3D打印技術(shù)的設(shè)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(yīng)用提供3D打印3D納米片構(gòu)建材料的設(shè)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(shù)，利用具有高比電容的3D納米片活性材料，實現(xiàn)柔性全固態(tài)超級電容器的設(shè)計。系統(tǒng)分析了叉指電極、多層骨架電極和纖維電極3D打印技術(shù)的設(shè)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(yīng)用提供3D打印3D納米片構(gòu)建材料的設(shè)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(chǎn)品（如柔性顯示、植入式醫(yī)療、可穿戴電子設(shè)備）的興起，對輕、薄、柔性的便攜式儲能設(shè)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(zhuǎn)、壓縮或拉伸）和無數(shù)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(shù)柔性電子設(shè)備的良好且有前途的替代能源供應(yīng)裝置。目前，關(guān)于3D納米片電極材料的設(shè)計和超級電容器的應(yīng)用，評論層出不窮。最近，還發(fā)表了幾篇關(guān)于 3D 打印技術(shù)在柔性超級電容器中應(yīng)用的總結(jié)著作。這些綜述分別為3D電極和柔性器件的設(shè)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(shù)在柔性全固態(tài)超級電容器中的共同總結(jié)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(shù)（或一些非打印技術(shù)）從 3D 納米片（作為微電極的活性磚）構(gòu)建柔性全固態(tài)超級電容器。本綜述的主要內(nèi)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(jié)了高性能電極材料的一般設(shè)計原則；2）基于針對性的設(shè)計案例，總結(jié)了3D石墨烯、3D MXene等3D納米片的最新制備和應(yīng)用進展；3）系統(tǒng)總結(jié)了基于3D打印技術(shù)（或其他技術(shù)）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(shè)計策略和全固態(tài)超級電容器應(yīng)用；4）最后，我們還討論了3D打印技術(shù)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(wǎng)絡(luò)，E-H）氧化石墨熱解的 3D 石墨烯網(wǎng)絡(luò)，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(shù) (DIW) 的叉指電極設(shè)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（噴墨打印）。

圖4 基于3D打印技術(shù)的多層骨架電極設(shè)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(lǐng)域，各種 3D 納米片構(gòu)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(shè)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(shù)（如DIW）可以實現(xiàn)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(shè)計，其中，多孔電極中離子和電荷轉(zhuǎn)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(shù)在利用 3D 納米片構(gòu)建的電極材料設(shè)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(shù)為引入電極設(shè)計等贗電容活性材料、精確調(diào)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(gòu)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(shù)（3D 打印技術(shù)或其他技術(shù)），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(shù)已經(jīng)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(shè)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(shè)計，以實現(xiàn)更高的電壓窗口和更高的能量密度。

論文網(wǎng)址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202201166