基于挤压的多层多孔先进电池电极的3D打印

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       诸如3D打印这样的增材制造（AM）技术在功能部件和结构的可扩展开发中引起了很多关注，该技术已经应用于能源，电子，生物医学以及制造汽车和飞机的高性能复合材料等领域。基于挤压的3D打印是一种廉价且简单的制造方法，其依赖于高度集中的支撑介质和三轴运动台来逐层创建复杂的结构形式。在许多介质材料中，氧化石墨烯（GO）在高浓度分散在绿色溶剂如水（H2O）中时具有独特的流变性，这对于可扩展和环保的3D打印方法是有利的。然而，3D打印的GO墨水还没有应用于高能量密度电池技术，特别是锂-氧（Li-O2）电池。3D打印的多孔石墨烯氧化物（hGO）网格具有多级孔隙率（宏观→纳米级），这使得电解质和氧气的通道能够提高Li-O2电池的性能。这些表明了3D打印在制造和改进先进能量存储设备方面的前景，以及层次化多孔电极设计的重要性。

       近日，在美国马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）课题组的带领下，与美国国家航天研究所和美国宇航局兰利研究中心合作下，通过简单的一步氧化处理，石墨烯粉末可以合成高度多孔的纳米材料（称为hG）。在hG合成期间，通过去除原始石墨烯片上的有缺陷的碳来形成纳米尺寸的通孔。在这项研究中，选择hG作为碳前体来生产高度多孔的GO材料（称为hGO），其被制成用于基于挤压的3D打印的含水和无添加剂的油墨。独立的3D打印的hGO网格呈现出三峰孔隙率：纳米尺度（hGO片上4-25nm通孔），微观尺度（通过冻干引入的几十微米尺寸的孔）和宏观尺度（<500μm方孔网孔设计），这对于依靠界面反应的高性能能量存储装置来促进完整的活性部位利用是有利的。在完全放电条件下，纳米多孔r-hGO网格阴极在循环深度和稳定性方面优于非纳米多孔GO基网格阴极。通过未经优化的Ru催化剂修饰，纳米多孔r-hGO网格的可循环性提高了两倍。相关成果以题为“Extrusion-Based 3D Printing of Hierarchically Porous Advanced Battery Electrodes”发表在了Advanced Materials上。