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。在過去的幾年中，研究者對石墨烯基超級(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電容性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

目前已經(jīng)開發(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；通過不同的還原途徑進(jìn)行GO的自組裝或凝膠化的無模板法。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：

• 通過混合GO、石墨烯納米片（GNP）和二氧化硅填料來制備墨水；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開發(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天以上無明顯衰減。

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