中國地質(zhì)大學|3D打印能量存儲材料和器件的界面工程

來源： 學跡備忘錄
第一作者：Jiaxuan Bai  中國地質(zhì)大學
通訊作者：Xiaocong Tian（中國地質(zhì)大學）、Zhigao Dai（中國地質(zhì)大學）、Kun Zhou（南洋理工大學）
作者單位：中國地質(zhì)大學（中國）、南洋理工大學（新加坡）

近年來，3D打印能量存儲材料和器件（3DP-ESMDs）已成為先進能源領域中新興且前沿的研究分支。為了實現(xiàn)令人滿意的電化學性能，能量存儲界面在蓬勃發(fā)展的基于ESMD的3D打印中起著決定性作用。因此，發(fā)展有效的界面工程路線以實現(xiàn)理想的3DP-ESMDs至關重要。該綜述全面介紹了近期針對3DP-ESMDs的界面工程的最新進展，并提供了深入討論。首先介紹了基本的界面工程原則。然后總結(jié)和闡述了包括3D打印啟用的結(jié)構(gòu)設計、成分修改、保護層設計以及3D打印器件優(yōu)化在內(nèi)的關鍵界面工程策略，并伴隨著對通過重要界面工程策略實現(xiàn)的3D打印可充電電池和電化學電容器的開拓性工作的討論。最后，提出了未來3DP-ESMDs中界面工程方法的展望。

電化學能源儲存裝置（EESDs）已成為便攜式個人電子設備、電動汽車和大規(guī)模電網(wǎng)的不可或缺的組成部分�？沙潆婋姵睾碗娀瘜W電容器是被公認為具有高能量/功率密度、適中工作電壓、長壽命、價格合理和良好環(huán)境友好性的有前途和先進的電化學能源儲存裝置。EESDs由幾個基本器件組成，包括電極（例如陰極和陽極，通常由活性材料、導電添加劑和聚合物粘結(jié)劑組成）、電解質(zhì)、隔膜、電流集電體和封裝部分，這些器件的內(nèi)在特性直接決定了裝置的電化學行為。已經(jīng)合成和開發(fā)了大量材料，以追求具有出色電化學性能和廣泛應用范圍的EESDs。先進制造技術被證明是出色的能量儲存材料和器件（ESMDs）的關鍵因素。

三維打印，也稱為增材制造，已成為一種顛覆性的制造技術，它利用逐層沉積原料材料來實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的原型。通過計算機輔助設計，可以對每個沉積層的可編程圖案進行數(shù)字化設計。這種先進的制造技術在工業(yè)設計、電子、光子學、建筑、航空航天、醫(yī)療和能源等多個應用領域開辟了新的機會。利用3D打印技術，已經(jīng)開發(fā)出了幾種具有出色幾何可控性和數(shù)字方式下的三維結(jié)構(gòu)調(diào)控的電化學能源儲存組件，可以方便地優(yōu)化它們的物理和化學性質(zhì)，從而獲得出色的儲能行為。此外，直接3D打印完整的EESDs也是可行的，顯示出在實際的能源相關應用實例中具有重要潛力。

在過去的幾十年中，3D打印技術迅速發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出了幾種3D打印技術和材料，為能源儲存應用建立了廣泛而先進的制造平臺。一般來說，3D打印可以分為幾個主要類別：光固化（例如光固化和數(shù)字光處理）、材料擠出（例如直接墨水寫入（DIW）和熔融沉積建模）、粉床熔融（例如選擇性激光燒結(jié)、多噴頭熔融、選擇性激光熔化和電子束熔化）、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、定向能源沉積和層壓。材料擠出被廣泛應用并被認為是能源儲存領域中最通用的和最具多功能的工具之一，由于其廣泛的材料選擇、低成本和易操作性。值得注意的是，其他3D打印技術具有令人信服的特點，如納米級打印精度。最近，正在進行的技術創(chuàng)新（例如冷凍環(huán)境打印、同心圓打印和多噴頭打印）也被證明是調(diào)控3D打印ESMDs結(jié)構(gòu)/性質(zhì)或優(yōu)化制造過程的有效手段。在3D打印前后合理地調(diào)整材料也有利于進一步改善儲能能力。無機、有機和復合納米結(jié)構(gòu)體系是代表性的有前途的3D打印候選材料，為先進能源儲存領域提供了令人印象深刻的特性，補充了功能性3D打印領域。

目前，正在廣泛開展3D打印電池和電化學電容器（超級電容器）組件和器件的構(gòu)建。然而，常常忽視能源存儲各組件之間的固有界面以及每個組件內(nèi)部的相應界面，這對3DP-ESMDs的電荷載流子動力學和熱力學產(chǎn)生重大影響。對于不同的應用領域，界面工程已經(jīng)被廣泛探索并被認為是克服界面問題的理想策略。對于能源存儲的3D打印，它也可以揭示電荷存儲機制，并推動最先進的3DP-ESMDs的發(fā)展。為了實現(xiàn)高效的能量儲存，界面（例如電極-電解質(zhì)界面）上的離子阻抗應該盡可能降到超低水平，這對于固態(tài)EESDs來說至關重要。界面效應在未來創(chuàng)新的3DP-ESMDs開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。

該綜述旨在通過總結(jié)關鍵界面因素和突出選定的界面工程策略，包括3D打印實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設計、組分改性、保護層設計和3D打印器件優(yōu)化，詳細介紹3DP-ESMDs的界面工程進展，如下圖所示。還全面討論了通過合理的界面工程策略制備的最近進展的3D打印可充電電池和電化學電容器。此外，這篇文章還討論了當前研究的現(xiàn)狀、剩余的研究挑戰(zhàn)和未來展望。

未來發(fā)展
隨著3D打印技術在電化學能源儲存領域的應用不斷擴大，必須考慮一些關鍵因素以實現(xiàn)期望的性能。界面元素被認為是至關重要的，它顯著決定了整體電化學性能。在這篇綜述中，全面總結(jié)和討論了重要的界面工程策略和最新進展。先前的開創(chuàng)性工作已經(jīng)清楚地證明了各種界面工程策略對于先進的3D打印能源儲存器件的重要性和效率。一些主要策略已被提出來改善3DP-ESMDs的界面電化學性質(zhì)，例如增強界面電荷載流子傳輸、可逆界面反應、良好的界面接觸和其他優(yōu)化的內(nèi)在界面性質(zhì)，從而顯著改善電化學行為。然而，值得注意的是，3DP-ESMDs的界面研究仍處于初級階段，進一步的令人激動的研究有望推動該領域的發(fā)展。

首先，已經(jīng)證明了合理的界面工程策略可以增強3DP-ESMDs的界面并同時改善整體電化學性能，這值得進一步關注和分析，同時進行精密的實驗和計算設計。通過優(yōu)化界面，可以不斷實現(xiàn)優(yōu)秀的電化學儲能參數(shù)，如高安全性、高電容量、優(yōu)越的速率性能和長壽命，推動3DP-ESMDs的實質(zhì)性發(fā)展。因此，從提高電化學性能的角度來看，未來的界面工程研究對于實際應用仍然至關重要。值得注意的是，機械增強也值得關注，以開發(fā)理想的結(jié)構(gòu)化3D打印EESD（如結(jié)構(gòu)電池）。

其次，在下一代3DP-ESMDs的開發(fā)過程中，應專注于3D打印在電化學能源儲存中的獨特數(shù)字優(yōu)勢。目前的界面工程研究主要集中在非3D打印ESMDs上，限制了通過3D打印實現(xiàn)數(shù)字化制造的潛在好處。探索這個領域可以帶來新的機遇和挑戰(zhàn)，如可調(diào)微觀結(jié)構(gòu)、定制幾何形狀，甚至按需儲能/輸出，這可以徹底改變能源領域并加速有意義的進展。

第三，為了全面了解3DP-ESMDs在充放電循環(huán)過程中的界面關鍵電化學信息和演變，需要采用先進的表征技術。對于ESMDs的基本基礎知識，如界面動力學、物理化學、反應和穩(wěn)定性，深入了解潛在的電化學過程至關重要。這些見解可以指導研究人員開發(fā)新的3DP-ESMDs，并進一步改善它們的電化學性能。未來，急需更先進的表征技術，特別是原位和操作方法，以及3D打印實現(xiàn)的數(shù)字化方法。

最后，將新穎的與能源相關的特性融入多功能能源系統(tǒng)被認為是前沿研究方向。不同功能組件之間的界面應進行良好的優(yōu)化，以實現(xiàn)全方位設計和集成。適當?shù)慕缑婀こ滩呗钥梢詾榧嫒莘�(wěn)定的界面做出貢獻，從而產(chǎn)生新穎的能源集成系統(tǒng)。更重要的是，3D打印提供了一個優(yōu)秀的制造平臺，以數(shù)字化設計方式確保未來具有優(yōu)化界面的尖端3DP-ESMDs的持續(xù)增長。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303035