3D打印叉指電極與全電池構(gòu)建

3D打印的叉指電極用于構(gòu)建全電池，鈦酸鋰（LTO）／GO和磷酸鐵鋰（LFP）GO墨水分別用于制造陽(yáng)極和陰極。插圖顯示了GO片組成的多孔結(jié)構(gòu)。在該設(shè)計(jì)中，包含被液體電解質(zhì)浸泡的聚偏二氟乙烯－共六氟丙烯（PVDF－co－HFP）和Al??納米顆粒的固態(tài)電解質(zhì)，可以打印在兩個(gè)叉指式電極之間的通道中，用作電絕緣隔板和凝膠聚合物電解質(zhì)。

超級(jí)電容器與石墨烯基材料

超級(jí)電容器因其高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低成本而被認(rèn)為是能源存儲(chǔ)的有前途的候選者，可為芯片上能量存儲(chǔ)、可植入設(shè)備和無(wú)線傳感器等許多應(yīng)用提供電源。

由于石墨烯基材料的比表面積大、導(dǎo)電率高和化學(xué)穩(wěn)定性好，因此石墨烯基材料已廣泛用于超級(jí)電容器中。在過(guò)去的幾年中，研究者對(duì)石墨烯基超級(jí)電容器進(jìn)行了廣泛的研究。由于石墨烯材料易于聚集和堆疊，因此有限的離子可接近表面以及離子和電子傳輸路徑的減少將對(duì)電容性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列具有相互連接的微孔的3D石墨烯結(jié)構(gòu)，例如氣凝膠和海綿。3D石墨烯的常規(guī)合成方法包括：使用模板上的碳化學(xué)氣相沉積涂層形成石墨烯塊體的模板引導(dǎo)法；通過(guò)不同的還原途徑進(jìn)行GO的自組裝或凝膠化的無(wú)模板法。此外，還有冰模板和冷凍鑄造等其他方法。然而，主要挑戰(zhàn)之一是如何使用可控和可擴(kuò)展的方法來(lái)定制3D石墨烯材料的宏觀體系結(jié)構(gòu)。

3D打印技術(shù)與石墨烯超級(jí)電容器

隨著打印技術(shù)的最新發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出具有設(shè)計(jì)架構(gòu)和圖案的石墨烯復(fù)合材料，可用于高性能超級(jí)電容器。打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用于微型和大型電源的2D和3D結(jié)構(gòu)的石墨烯基超級(jí)電容器。

3D打印的石墨烯結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載量，并為高能超級(jí)電容器量身定制結(jié)構(gòu)。

3D打印超級(jí)電容器的典型示意圖：

• 通過(guò)混合GO、石墨烯納米片（GNP）和二氧化硅填料來(lái)制備墨水；GNP可以增加氣凝膠的電導(dǎo)率并保持其高表面積；親水性二氧化硅填料用作增粘劑以增加墨水的粘彈性。在與水性墨水不混溶的有機(jī)溶劑中打印出3D石墨烯，然后將兩片3D石墨烯氣凝膠與中間的隔膜堆疊在一起，可以成功構(gòu)建超級(jí)電容器。

3D石墨烯氣凝膠的形態(tài)：

• 在較低的濃度下，GNPs不會(huì)改變氣凝膠的薄片狀網(wǎng)絡(luò)；在較高的GNP濃度下，片狀結(jié)構(gòu)不再存在，并且結(jié)構(gòu)變脆，石墨烯狀網(wǎng)絡(luò)失去了彈性。盡管3D打印的超級(jí)電容器已被廣泛報(bào)道，但大多數(shù)3D打印的超級(jí)電容器僅依賴于單個(gè)石墨烯組分。因此，有必要引入活性材料來(lái)開(kāi)發(fā)基于石墨烯的贗電容超級(jí)電容器以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。此外，設(shè)計(jì)超厚石墨烯塊狀超級(jí)電容器電極是實(shí)現(xiàn)高容量性能的另一種有效策略。

打印電子學(xué)與石墨烯基墨水

打印電子學(xué)代表了一種有前途的技術(shù)，可用于制造各種領(lǐng)域中使用的電子設(shè)備，例如柔性電子產(chǎn)品和生物傳感器等。與傳統(tǒng)的平版打印電路相比，直接打印的優(yōu)勢(shì)在于可加性、非接觸式和數(shù)字圖案化能力。

石墨烯基墨水因其高電導(dǎo)率、環(huán)境和化學(xué)穩(wěn)定性以及其機(jī)械柔韌性而被廣泛用于打印電子領(lǐng)域。然而，由于制備用于3D打印的石墨烯墨水較困難，因此石墨烯基電路大多數(shù)以二維形狀打印。對(duì)于3D電路的設(shè)計(jì)，打印的結(jié)構(gòu)需要更好的機(jī)械性能使其能夠自我維持，并需要在其上打印其他層。

高溫加熱與3D打印技術(shù)

高溫對(duì)促進(jìn)材料可控合成和熱催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域非常重要。但是，傳統(tǒng)的高溫加熱通常由笨重且耗能的爐子或加熱板提供。隨著微米和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要一種合適的微米或納米尺度的加熱策略來(lái)研究微米和納米材料與溫度有關(guān)的行為。

大功率激光器和微熱板可以作為微量加熱的解決方案，但是達(dá)到的溫度非常有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。另外，大功率激光器和微熱板提供的熱分布是二維的，這會(huì)在低導(dǎo)熱率的材料中引起較大的溫度梯度。

最近，胡和同事報(bào)告了一種3D打印的高溫加熱器，該加熱器基于還原的氧化石墨烯，方法是使用高粘度氧化石墨烯（GO）進(jìn)行3D打印，然后對(duì)其進(jìn)行熱還原以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的高溫加熱器。加熱器由焦耳電加熱驅(qū)動(dòng)，以超快的速度（100毫秒）產(chǎn)生高達(dá)3000K的高溫。rGO在高溫下具有出色的穩(wěn)定性，反復(fù)打開(kāi)和關(guān)閉加熱器2000多個(gè)循環(huán)以及在1500K下保持1天以上無(wú)明顯衰減。

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