三维分级孔道微型超级电容器的3D打印构筑及电荷传输机制

The development of novel high-performance microsized electrochemical energy storage devices is the interdisciplinary and cutting-edge research in the field of new energy technology and nanotechnology. In order to address the low electron and ions transport issue in micro-supercapacitor electrodes, this proposal intends to construct the three-dimensional (3D) hierarchical porous micro-supercapacitor electrodes using 3D printing technique. The combination of high conductivity and high surface area of 3D graphene and the enhancement of ions transport in hierarchical porous structure is expected to obtain the micro-supercapacitor electrodes with high specific capacitance, good rate capability and high cycling stability. Based on the results of structure characterization and performance test, the influence of pore structure on the electrochemical properties such as electron transport, ion diffusion and cycling stability will be studied by adjusting the electrode components of the device electrodes and the printing parameters. The intrinsic mechanism of electron/ions transport will be revealed and the electrode structures and printing parameters will also be optimized.

开发新型高性能微型电化学储能器件是新能源技术与纳米科技的交叉和前沿，本项目针对微型超级电容器电极中电子/离子传输效率低这一关键科学问题，拟通过3D打印技术设计和构筑具有三维分级孔道结构的金属氧化物/石墨烯复合微型电极，结合三维石墨烯高电导率、高比表面积等优点及分级孔道的离子传输增强机制，以期实现电子与离子传输效率的增强，获得比容量高、倍率性能好、循环稳定性优的微型超级电容器电极结构。通过调节器件电极组分和打印过程中的参数，以结构性能测试结果为基础，研究孔道结构对电子传输、离子扩散、循环稳定性等电化学性能的影响，揭示电子/离子传输的本征机制，并在此基础上优化电极材料组分结构和打印参数以进一步提升微型超级电容器电化学性能。

开发新型高性能微型电化学储能器件是新能源技术、纳米科技和先进制造领域的交叉和前沿，本项目针对微型超级电容器电极中电子/离子传输效率低这一关键科学问题，采用直写式3D打印技术，设计和构筑具有三维分级孔道结构的纳米复合微型电极与器件，并研究器件内部电荷传输机制。具体而言，通过探索高浓度多孔纳米复合材料在溶剂中的分散工艺，获得了一系列可3D打印石墨烯基纳米复合浆料，掌握了一种流变性可控的纳米复合浆料普适性制备方法，构筑了一系列高性能微型超级电容器，包括对称式三维分级空心钴氧化物/多孔石墨烯微型超级电容器、对称式三维多孔石墨烯负载镍/锰金属氧化物微型超级电容器、对称式纳米氧化铁/石墨烯/银纳米线复合多孔结构微型超级电容器、非对称式Ni-Co-O纳米片@石墨烯//二氧化锰纳米片@石墨烯微型超级电容器等电化学储能器件。电化学测试表明构筑的器件具有优异的电化学性能，进一步分析发现，电荷（电子及离子）协同输运调控是大幅提升微器件电化学行为的重要原因。本项目采用的3D打印构筑技术，给微电极构筑提供了优选方案，不仅可易实现微电极的图案化，以灵活实现对称式和非对称式微型超级电容器的构筑，更给内部结构优化提供了广阔空间，3D打印浆料组分、打印参数和后处理的调控被证实是有效手段。通过本项目的实施，为高性能微型超级电容器的先进制造提供了实验和理论依据。