東北工業(yè)學院黃偉教授、冠草院士團隊和澳大利亞國立學院丁俊課題組利用光固化3D打印和物理液相沉積兩項現(xiàn)代工業(yè)技術制備了一種金屬高機械性能和周期性微孔結構。 泡沫石墨，最終成功實現(xiàn)了電極的高機械硬度和超高活性材料負載量。
相關成果以“”為題發(fā)表在國際知名期刊上（,:10./2020/）。
研究背景
隨著社會的發(fā)展，對能源的需求不斷減少，這使得人們不斷探索更高能量密度和功率密度的儲能裝置。
然而，減少電極活性材料的負載量（例如小于-2）通常會導致活性材料的利用效率的提高。
采用互連微孔網絡的3D結構設計的電極可以確保整個電極上的有效電荷傳輸，從而實現(xiàn)活性材料的高利用率。 隨著3D打印技術的快速發(fā)展，它已被廣泛應用于3D電極的結構設計，以實現(xiàn)高效的儲能器件。
具有高霧度、低密度和優(yōu)異電物理穩(wěn)定性的3D打印石墨烯/石墨電極材料受到廣泛追捧。 目前，3D打印石墨烯/石墨電極材料的制備大多采用直寫墨水打印方法（擠出式）。
但由于該技術比特率較低（一般小于200μm），只能實現(xiàn)個體簡單的3D結構（如網格、叉指結構等），從而限制了其應用。 據悉，這些3D碳材料的機械性能對于包裝和運輸也至關重要，但之前的研究關注較少。
基于上述考慮，開發(fā)具有更高精度和奇特結構設計的新型3D打印電極將非常有前途，這將帶來優(yōu)異的機械和電物理性能。
研究進展
本文通過光固化3D打印和物理液相沉積兩種現(xiàn)代工業(yè)技術，實現(xiàn)了一種獨特的具有周期性微孔結構和強機械性能的3D空心石墨泡沫（HGF）（圖1）。
圖1 MnO2/HGF電極制備過程示意圖
有限元分析結果證實，預先設計的螺旋微孔結構可以提供均勻的撓度區(qū)域，減少撓度集中引起的潛在結構失效傾向。
實驗結果表明，在較低的材料密度（48.-3）下，制備的石墨泡沫可以達到較高的機械硬度（E=3.），其中圖2（A）是沿z方向相同的壓縮應變，并且結構的有限元模型及其撓度分布； 圖2(B)為超輕，圖2(C)為超硬性能展示； 圖2(D)為不同密度HGF的壓縮撓度-應變曲線； 圖2(E)不同密度HGF的壓縮硬度和楊氏泊松比。
圖2 HGF的機械性能
當泡沫石墨表面覆蓋超高負載量的MnO2（28.-2）時，MnO2/HGF可以同時實現(xiàn)高面積、體積和質量比容量。
據悉，組裝的準固態(tài)不對稱超級電容器還表現(xiàn)出優(yōu)異的機械和電物理性能（圖3）。
其中，圖3(A)為示意圖； 圖3(B)為CV曲線； 圖3(C)是基于HGF的非對稱超級電容器的表面電容，(C)中的插圖是EIS結果； 圖3(D)、(E)、(F)是基于整個元件面積、體積和活性材料質量的水性和準固態(tài)不對稱超級電容器的圖； 圖3（G）比較了非對稱超級電容器在原始狀態(tài)和受力狀態(tài)下的CV曲線； 圖3(H)是兩個基于HGF的超級電容器照明的LED在原始狀態(tài)和受力狀態(tài)下的照片； 圖3（I）顯示了基于HGF的非對稱超級電容器性能的循環(huán)。
圖3 基于HFG的準固態(tài)超級電容器的電物理特性
未來展望
在電物理儲能領域，3D 打印能夠實現(xiàn)快速構建和組裝，有可能加速功能產品和新結構的開發(fā)。
該團隊利用3D打印技術和物理沉積技術，成功制備出具有微孔結構和高力學性能的石墨泡沫，并實現(xiàn)了活性材料的高負載。
這些電極材料的制備策略將為先進儲能器件的實際應用提供新的道路。
關于作者
關曹，東北工業(yè)學院院長，主要從事柔性儲能元件研究，重點關注柔性儲能電極材料三維陣列的建立、柔性儲能元件的結構優(yōu)化與性能提升、研究陣列中空結構納米材料、金屬有機骨架及其衍生物、柔性電物理儲能組件（超級電容器、水基電池板、鋅空氣電池板、鋰離子電池板等）、電物理催化、3D打印、原子層沉積技術和原位STEM等。
在Adv.、.Sci.、.等國際期刊發(fā)表SCI論文80余篇，論文被引用7300余次，H因子44，ESI高被引論文27篇，5篇ESI熱點論文。
榮獲2018年度飛翔海外學者、2019年度飛翔青年學者、2019、2020年度科睿唯安“高被引科學家”。
黃偉，中國科學技術大學教授、俄羅斯科技大學外籍教授、亞太工程組織聯(lián)合會主席。
有機電子學、塑料電子學、印刷電子學、生物電子學和柔性電子學科學家。
他是第一位從事聚合物發(fā)光晶閘管顯示研究的世界級學者，多年來活躍在有機電子和柔性電子領域。 是我國有機電子、塑料電子、柔性電子的奠基人和開拓者。
在柔性電子領域，以通訊作者或第一作者在世界頂級期刊等發(fā)表研究論文860余篇，被國際同行引用多次。 他是材料科學和物理學領域被高度引用的學者。
