IoT（物聯網）時代對輕型、小型化、可定製和高效的儲能設備 (ESD) 提出了新的要求，這些設備可以與可穿戴和生物醫學應用所需的各種幾何形狀無縫集成。除了傳統的卷對卷策略，新興的製造方法（如 3D 列印）使整體 3D ESD 形狀的數字編程也可以用作結構組件，這有利於減輕重量並簡化可穿戴電子產品、微型機器人、和醫療電子。除了宏觀形狀定製之外，微調 ESD 內部架構的能力也是器件優化的關鍵。具體而言，3D 叉指式器件配置允許短而均勻的電子/離子擴散路徑和增加的接觸面積，克服了傳統平面厚電極中傳輸距離長和界面電阻高的問題。這種設計可以實現高能量密度，而不會在活性材料的高質量負載下降低 ESD 的倍率性能。已經報導了具有充滿液體或凝膠狀電解質的 2D 或 3D 電極的 ESD，但它們在 3D ESD 架構的設計靈活性方面面臨著重大挑戰。
來自西湖大學的學者展示了一種組裝 ESD 的新方法，該方法能夠通過數字光處理 (DLP) 技術和簡便的順序浸塗工藝定製外部和內部架構。使用超級電容器作為原型設備，展示了面容量為282.7 mFcm−2的ESD的3D列印，這高於採用平面堆疊配置（205.5 mFcm−2）的相同質量負載的參考設備。具有高度可定製外部幾何形狀的印刷設備可以方便地將 ESD 用作各種電子產品的結構組件，例如錶帶和仿生電子產品，這些電子產品很難用以前報導的策略製造。相關文章以「Customizable Supercapacitors via 3D Printed Gel Electrolyte」標題發表在Advanced Functional Materials。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202214301
圖 1. 基於 3D 列印 GPE 的 3D ESD 製造方案。 a) GPE 列印裝置和 GPE 主要部件的示意圖。 b) 不同浸塗步驟樣品的光學照片和假色橫截面SEM圖像。c) 3D 列印 EDLSC 中宏觀尺度可定製 ESD 幾何結構及其內部 3D 交叉指狀結構的示意圖。
圖 2. 3D 列印 GPE 的優化。紫外線吸收劑含量對印刷效果的影響。 a) 穿透深度。 b) 3D 列印的 GPE 壁結構，高度為 500 µm，壁距為 500 µm，壁厚為 50 至 180 µm，具有不同含量的紫外線吸收劑，顯示低於 0.2 wt.% 的 UV-吸收器，結構顯示過度固化現象。 c) 具有從 1.5:1 到2.5:1 的不同 IL/單體比率的印刷 GPE 的電化學阻抗譜 (EIS)。 d) 具有從 1.5:1到 2.5:1 的不同 IL/單體比率的 GPE 的楊氏模量。 e) GPE 的線性掃描伏安法 (LSV) 曲線，IL/單體比為2:1，掃描速率為 1 mV s−1，電位範圍為 0–6 V。f) 體心立方晶格陣列（左）、面心立方晶格陣列（中）、開爾文晶胞及其陣列（右）。 g) 印刷細胞結構的SEM圖像。
圖 3. 優化順序浸塗工藝，將電極和集電器材料沉積到印刷 GPE 上。 a) GPE 薄膜上電極分散體 (10 wt.%) 的接觸角。 b）表觀粘度和c）在電極材料的不同浸塗時間和不同固體含量下活性炭的質量負載。 d) AC/CNT 塗層 GPE 結構的橫截面 SEM 圖像（左）和 AC/CNT（右）在塗上 14 wt.% 的電極材料（塗一次）後的 SEM 圖像。 e) Ag NWs 分散體 (2 wt.%) 在經過和未經等離子體處理的電極膜上的接觸角。 f) Ag NWs 分散體的表觀粘度和插圖顯示了相同體積的 Ag NWs 分散體的不同固含量在傾斜玻璃上的流動性結果，傾斜玻璃的角度≈30°。 g) 多次浸塗後具有不同固含量的 Ag NWs 的電導率。 h) 三層 GPE:AC/CNT:Ag NWs 結構的橫截面 SEM 圖像（左）Ag NWs 的SEM 圖像（右）塗上 6 wt.% 的 Ag NWs 分散體（塗三遍）。
圖 4. 三種器件的電化學性能：低質量負載 ≈1 mg cm−2的平面堆疊器件 (PSD-L)，高質量負載 ≈3 mg cm−2的平面堆疊器件 (PSD) -H)，以及 3D 叉指式裝置，質量負載約為 3 mg cm−2 (3D-ID-H)。 a) 倍率性能和 b) PSD-L 在0.1 至 0.5 mA cm−2不同電流密度下的相應 GCD 曲線。 c) PSD-L 在電流密度為 0.5 mA cm−2時的循環穩定性。 d) 3D-ID-H和PSD-H在相同AC質量負載下的示意圖，分別顯示電極材料和電解質之間的3D叉指結構和平面逐層堆疊結構。e) 3D-ID-H和PSD-H的速率性能。 f) 3D-ID-H 和 PSD-H 在 0.01 到100000 Hz 頻率範圍內的 EIS 譜。
圖 5. 3D 列印 ESD 到各種任意結構的演示。 a) 串聯的 3D-ID-H 示意圖（左）。相應的 GCD 曲線（中）。 CV 曲線（右）。 b) 3D-ID-H 兼作錶帶和電源。 c) 具有三個串聯連接的 SC 的類螢火蟲 3D EDLSC 的示意圖和光學照片。 d) 我們的策略與其他報告方法之間形狀複雜度和 ESD 特徵尺寸的比較。
總之，本研究提出了一種新的 3D 列印凝膠電解質模板製造方法，隨後浸塗電極、集電器和封裝材料，以完成具有內部 3D架構和整體 3D 幾何形狀的 3D ESD，作為結構電源。電極和電解質之間的內部 3D 叉指配置使該設備能夠提供比平面堆疊配置 (205.5 mF cm−2) 更高的面容量 282.7 mFcm−2。受益於DLP列印技術的高度定製化和浸塗工藝的共形沉積特性，本研究展示了各種具有可定製形狀的3D ESD，以允許與其他電子產品集成以減輕重量和小型化。本研究的3D列印凝膠電解質與浸塗相結合的方法開闢了為無數可穿戴和生物醫學應用製造結構化ESD的新途徑。(文：SSC)
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