3D打印NiCoP/MXene用于高能量密度储能器件

利用先进的制造技术实现电极的可定制配置对提高储能装置的电化学性能起着关键作用。基于挤压的3D打印技术是一种经济高效且通用的技术，该技术依靠三轴运动平台通过逐层堆叠创建定义明确的周期性几何图形，已很容易地应用于能量存储领域。与传统的制造方法(如刮墨刀涂层)相比，电极的厚度和活性材料的负载可以通过油墨特性、打印速度和/或打印层的数量在目标上进行调整，从而提高了所构建设备的能量密度和功率密度。

最近，苏州大学Jingyu Sun教授课题组在国产知名学术期刊Nano-Micro Letters 上发表一篇题目为：3D Printing of NiCoP/Ti₃C₂ MXene Architectures for Energy Storage Devices with High Areal and Volumetric Energy Density的研究论文，报道了一个精心设计的通过3D印刷实现的ASC设备，提供高容量能量密度。这样的ASC电池包括印刷的NiCoP/MXene (NCPM)正极和印刷的AC负极，其中NCPM结构是通过在Ti₃C₂T_x纳米片表面原位生长NiCoP纳米线而创建的。利用3D打印精细构造电极，可定制厚度并精确调整活性材料的质量负载。同时，3D打印ASC实现了快速充放电，1.4V宽电压窗，以及长达5000个周期的长循环寿命。更重要的是，它易于获得超高面积和体积能量密度，分别为0.89 mWh ^-2和2.2 mWh ^-3。

图1. NCPM合成和3D打印过程示意图 b，c NCPM复合油墨的SEM图像 d显示壁厚增加的印刷空心方形格子的数码照片

图2. NCPM复合材料的物理表征

图3. a三维打印设置照片b 3D打印的方格照片c 通过采用两种不同的打印速度来打印长丝的宽度分布d制成的NCPM/CNT和CNT油墨的表观粘度与剪切速率的关系 NCPM / CNT和CNT油墨的储能模量（G‘）和损耗模量（G‘‘）作为e剪切应力和f角频率的函数 g印刷的NCPM电极的俯视图和h截面SEM图像i 冷冻干燥后SEM图像

图4. 3D打印的NCPM电极的厚度 b在三电极配置中测试的NC，NCP和NCPM的CV曲线 c在不同电流密度下印刷的NCPM / CNT电极的GCD曲线 d印刷的NCPM /CNT电极的循环性能 e具有不同层印刷NCPM / CNT电极的面积和体积电容的统计数据 f这项工作与其他报告的面积和体积电容的比较

图5.基于3D打印的NCPM正电极和3D打印的AC负电极构造的ASC全电池的电化学性能

图5.基于3D打印的NCPM正电极和3D打印的AC负电极构造的ASC全电池的电化学性能

本文展示了NiCoP/ MXene // AC不对称超级电容器全电池的3D打印设计，具有创纪录的体积能量密度。与采用通用的轻质碳结构作为电极材料不同，利用重型NiCoP / MXene杂化物是构建具有高能量密度的紧凑型电极的可行技术解决方案之一。同时，具有分级孔隙和可调质量载荷的3D打印NCPM电极具有便捷的电荷传输和彻底的电解质渗透能力，使其具有更高的倍率能力和循环稳定性。组装好的ASC器件分别提供了0.89 mWh cm ^-2和2.2 mWh cm ^-3的高面积和体积能量密度。如此出色的电化学性能证实了3D打印的无碳NCPM材料作为超级电容器电极的发展，从而实现了高体积能量密度。我们的工作为针对高能量密度储能系统的多功能电极体系结构的3D打印设计提供了总体策略。

文献链接： https://doi.org/10.1007/s40820-020-00483-5

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