供稿人:劉哲峰 李滌塵 發(fā)布日期：2018-06-29
擠壓式3D打印是一種廉價(jià)且簡(jiǎn)單的制造方法，可以借助高度集中的支撐介質(zhì)和三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)以逐層創(chuàng)建的方式制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。美國(guó)馬里蘭大學(xué)課題組與美國(guó)國(guó)家航天研究所和美國(guó)宇航局蘭利研究中心合作，通過簡(jiǎn)單的氧化處理，將石墨烯粉末合成高度多孔的納米材料（簡(jiǎn)稱為hG），從而實(shí)現(xiàn)高性能的分層多孔結(jié)構(gòu)的電極制造，表明了3D打印在制造和改進(jìn)先進(jìn)能量存儲(chǔ)設(shè)備方面的前景。
在hG合成期間，主要是通過去除原始石墨烯片上的有缺陷的碳來(lái)形成納米尺寸的通孔。通過3D打印引入的宏觀和微觀孔隙度是改善總體空氣陰極容量方面最關(guān)鍵的方面，而更小的孔引起的納米孔隙可以進(jìn)一步改善運(yùn)輸通路，并將性能提高。在該研究中，選擇hG作為碳前體來(lái)生產(chǎn)高度多孔的GO材料（稱為hGO），其被制成用于基于擠壓的3D打印的含水和無(wú)添加劑的打印油墨。圖1顯示了hGO合成工藝流程示意圖。3D打印的hGO網(wǎng)格呈現(xiàn)出三峰孔隙率要大大優(yōu)于天然石墨薄片的GO的孔隙率，這對(duì)于依靠界面反應(yīng)的高性能能量存儲(chǔ)裝置來(lái)促進(jìn)完整的活性部位利用是有利的。原理上，與2D真空過濾膜相比，3D打印網(wǎng)格的宏觀和微觀孔隙度提高了活性部位利用率以及質(zhì)量/離子傳輸，從而提高了Li-O2電池的整體性能。
圖1 hGO合成工藝流程示意圖
圖2 3D印刷的Li-O2陰極的電化學(xué)性能和后期表征
實(shí)驗(yàn)表明，在完全放電條件下，納米多孔r-hGO網(wǎng)格陰極在循環(huán)深度和穩(wěn)定性方面優(yōu)于非納米多孔GO基網(wǎng)格陰極。通過未經(jīng)優(yōu)化的Ru催化劑修飾，納米多孔r-hGO網(wǎng)格的可循環(huán)性提高了兩倍。圖2顯示了3D印刷了的Li-O2陰極的電化學(xué)性能和后期表征。
這項(xiàng)工作表明有意識(shí)地將納米多孔碳基二維材料設(shè)計(jì)為分層多孔電極結(jié)構(gòu)，可以提高下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能，同時(shí)為AM技術(shù)在先進(jìn)電池制造的應(yīng)用提供潛在途徑。