中國地質(zhì)大學(xué)|3D打印能量存儲材料和器件的界面工程

來源： 學(xué)跡備忘錄
第一作者：Jiaxuan Bai  中國地質(zhì)大學(xué)
通訊作者：Xiaocong Tian（中國地質(zhì)大學(xué)）、Zhigao Dai（中國地質(zhì)大學(xué)）、Kun Zhou（南洋理工大學(xué)）
作者單位：中國地質(zhì)大學(xué)（中國）、南洋理工大學(xué)（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(jìn)能源領(lǐng)域中新興且前沿的研究分支。為了實(shí)現(xiàn)令人滿意的電化學(xué)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(shí)現(xiàn)理想的3DP-ESMDs至關(guān)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(jìn)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(shè)計(jì)、成分修改、保護(hù)層設(shè)計(jì)以及3D打印器件優(yōu)化在內(nèi)的關(guān)鍵界面工程策略，并伴隨著對通過重要界面工程策略實(shí)現(xiàn)的3D打印可充電電池和電化學(xué)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(xué)能源儲存裝置（EESDs）已成為便攜式個人電子設(shè)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(xué)電容器是被公認(rèn)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(jìn)的電化學(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)性能和廣泛應(yīng)用范圍的EESDs。先進(jìn)制造技術(shù)被證明是出色的能量儲存材料和器件（ESMDs）的關(guān)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(shù)，它利用逐層沉積原料材料來實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的原型。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以對每個沉積層的可編程圖案進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。這種先進(jìn)的制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、電子、光子學(xué)、建筑、航空航天、醫(yī)療和能源等多個應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新的機(jī)會。利用3D打印技術(shù)，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(xué)能源儲存組件，可以方便地優(yōu)化它們的物理和化學(xué)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(shí)際的能源相關(guān)應(yīng)用實(shí)例中具有重要潛力。

在過去的幾十年中，3D打印技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出了幾種3D打印技術(shù)和材料，為能源儲存應(yīng)用建立了廣泛而先進(jìn)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(yīng)用并被認(rèn)為是能源儲存領(lǐng)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(shù)具有令人信服的特點(diǎn)，如納米級打印精度。最近，正在進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新（例如冷凍環(huán)境打印、同心圓打印和多噴頭打�。┮脖蛔C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(jìn)一步改善儲能能力。無機(jī)、有機(jī)和復(fù)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(jìn)能源儲存領(lǐng)域提供了令人印象深刻的特性，補(bǔ)充了功能性3D打印領(lǐng)域。

目前，正在廣泛開展3D打印電池和電化學(xué)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(yīng)界面，這對3DP-ESMDs的電荷載流子動力學(xué)和熱力學(xué)產(chǎn)生重大影響。對于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，界面工程已經(jīng)被廣泛探索并被認(rèn)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(jī)制，并推動最先進(jìn)的3DP-ESMDs的發(fā)展。為了實(shí)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(yīng)該盡可能降到超低水平，這對于固態(tài)EESDs來說至關(guān)重要。界面效應(yīng)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(guān)鍵界面因素和突出選定的界面工程策略，包括3D打印實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組分改性、保護(hù)層設(shè)計(jì)和3D打印器件優(yōu)化，詳細(xì)介紹3DP-ESMDs的界面工程進(jìn)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(jìn)展的3D打印可充電電池和電化學(xué)電容器。此外，這篇文章還討論了當(dāng)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(shù)在電化學(xué)能源儲存領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，必須考慮一些關(guān)鍵因素以實(shí)現(xiàn)期望的性能。界面元素被認(rèn)為是至關(guān)重要的，它顯著決定了整體電化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(xué)性質(zhì)，例如增強(qiáng)界面電荷載流子傳輸、可逆界面反應(yīng)、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(xué)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(jìn)一步的令人激動的研究有望推動該領(lǐng)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(qiáng)3DP-ESMDs的界面并同時改善整體電化學(xué)性能，這值得進(jìn)一步關(guān)注和分析，同時進(jìn)行精密的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化界面，可以不斷實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的電化學(xué)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(shí)質(zhì)性發(fā)展。因此，從提高電化學(xué)性能的角度來看，未來的界面工程研究對于實(shí)際應(yīng)用仍然至關(guān)重要。值得注意的是，機(jī)械增強(qiáng)也值得關(guān)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(yīng)專注于3D打印在電化學(xué)能源儲存中的獨(dú)特?cái)?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(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造的潛在好處。探索這個領(lǐng)域可以帶來新的機(jī)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(lǐng)域并加速有意義的進(jìn)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(guān)鍵電化學(xué)信息和演變，需要采用先進(jìn)的表征技術(shù)。對于ESMDs的基本基礎(chǔ)知識，如界面動力學(xué)、物理化學(xué)、反應(yīng)和穩(wěn)定性，深入了解潛在的電化學(xué)過程至關(guān)重要。這些見解可以指導(dǎo)研究人員開發(fā)新的3DP-ESMDs，并進(jìn)一步改善它們的電化學(xué)性能。未來，急需更先進(jìn)的表征技術(shù)，特別是原位和操作方法，以及3D打印實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化方法。

最后，將新穎的與能源相關(guān)的特性融入多功能能源系統(tǒng)被認(rèn)為是前沿研究方向。不同功能組件之間的界面應(yīng)進(jìn)行良好的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)全方位設(shè)計(jì)和集成。適當(dāng)?shù)慕缑婀こ滩呗钥梢詾榧嫒莘�(wěn)定的界面做出貢獻(xiàn)，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(shè)計(jì)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