南京林業(yè)大學(xué)：3D打印氮摻雜厚碳架構(gòu)，用于超級(jí)電容器

來源: 材料分析與應(yīng)用

3D打印技術(shù)為具有高負(fù)載密度的定制厚電極設(shè)計(jì)提供了巨大的機(jī)會(huì)，以提高有限空間中的面積容量。然而，在配制具有優(yōu)異流變性能的3D可打印油墨以及促進(jìn)厚體電極中的電子/離子傳輸方面，仍然存在關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文，南京林業(yè)大學(xué)梅長(zhǎng)彤教授、中國石油大學(xué)(華東)Mei-Chun Li在《Adv Sci》期刊發(fā)表名為“3D Printed Nitrogen-Doped Thick Carbon Architectures for Supercapacitor: Ink Rheology and Electrochemical Performance”的論文，研究由木質(zhì)衍生纖維素納米纖維（CNFs）、多壁碳納米管（MWCNTs）和尿素組成的混合油墨被配制用于3D打印氮摻雜的厚電極，其中CNFs充當(dāng)MWCNTs的分散劑和增稠劑，而尿素充當(dāng)摻雜劑。

通過系統(tǒng)地定制油墨的濃度依賴性流變性能和3D打印過程，成功地打印出具有高幾何精度和卓越形狀逼真度的各種凝膠結(jié)構(gòu)。然后，在冷凍干燥和退火處理后，將印刷的凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電化學(xué)性能的氮摻雜碳?jí)K。此外，通過3D打印技術(shù)結(jié)合氮摻雜策略獲得的由兩個(gè)叉指狀碳?jí)K組裝的準(zhǔn)固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器在0.56 mW cm−2下提供了0.10 mWh cm−2的能量密度。這項(xiàng)工作為用于3D打印高性能厚碳電極的可打印墨水的配方提供了指導(dǎo)。

圖1、示意圖說明了凝膠墨水的制備，通過流變測(cè)量評(píng)估凝膠墨水的3D打印適性，通過3D打印，冷凍干燥和退火處理制備獨(dú)立的，分層多孔的N摻雜碳結(jié)構(gòu)，以及使用兩個(gè)3D打印的N摻雜碳電極制造準(zhǔn)固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器。

圖2、CMU凝膠油墨的流變特性和3D打印適性

圖3、3D打印，冷凍干燥和退火塊的形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖4、3D打印碳?jí)K的電化學(xué)性能

圖5、3D打印準(zhǔn)固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器（QSSC）的電化學(xué)性能

小結(jié)
綜上所述，通過研究CMU油墨的濃度依賴性流變性能，優(yōu)化3D打印參數(shù)，成功開發(fā)了由CNF、MWCNTs和尿素組成的3D打印CMU墨水。這項(xiàng)工作為優(yōu)化用于高性能超級(jí)電容器3D打印的油墨的可印刷性提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1002/advs.202206320