供稿人:劉哲峰 李滌塵 發(fā)布日期：2018-06-29
擠壓式3D打印是一種廉價且簡單的制造方法，可以借助高度集中的支撐介質(zhì)和三軸運動臺以逐層創(chuàng)建的方式制造復雜的結(jié)構(gòu)形式。美國馬里蘭大學課題組與美國國家航天研究所和美國宇航局蘭利研究中心合作，通過簡單的氧化處理，將石墨烯粉末合成高度多孔的納米材料（簡稱為hG），從而實現(xiàn)高性能的分層多孔結(jié)構(gòu)的電極制造，表明了3D打印在制造和改進先進能量存儲設(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一步改善運輸通路，并將性能提高。在該研究中，選擇hG作為碳前體來生產(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，這對于依靠界面反應的高性能能量存儲裝置來促進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陰極的電化學性能和后期表征
實驗表明，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陰極的電化學性能和后期表征。
這項工作表明有意識地將納米多孔碳基二維材料設(shè)計為分層多孔電極結(jié)構(gòu)，可以提高下一代儲能系統(tǒng)的性能，同時為AM技術(shù)在先進電池制造的應用提供潛在途徑。