學(xué)術(shù)分享 I 突破儲能瓶頸！多模態(tài)DIW直寫3D打印技術(shù)助力深圳大學(xué)增材制造研究所團隊打造超級電容器新標桿！

發(fā)布時間：2025-05-09 瀏覽量：分享到：

3D打印SiOC/Bi?O?納米復(fù)合材料用于高性能非對稱超級電容器

深圳大學(xué)增材制造研究所團隊利用DIW墨水直寫3D打印技術(shù)成功制備出SiOC/Bi?O?納米復(fù)合材料電極，實現(xiàn)了非對稱超級電容器（ASC）性能的跨越式提升。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159949

研究背景

全球能源挑戰(zhàn)

年能耗增加5.8%，傳統(tǒng)能源面臨瓶頸
超級電容器(SCs)成為關(guān)鍵解決方案

超級電容器優(yōu)勢

功率密度

>10 kW/kg

循環(huán)壽命

>100,000次

充放電速度

秒級響應(yīng)

現(xiàn)存技術(shù)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)電極材料孔隙分布不均勻（微孔占比＜40%）

硅基陶瓷材料(SiOC)與金屬氧化物復(fù)合工藝復(fù)雜

二維結(jié)構(gòu)電極離子擴散路徑受限

創(chuàng)新解決方案：DIW 墨水直寫3D打印技術(shù)

精確控制孔隙結(jié)構(gòu)（分辨率達50μm）
實現(xiàn)多尺度結(jié)構(gòu)一體化成型

圖2. 電極制備工藝流程：(a)水熱合成 (b)3D打印成型 (c)后處理

研究內(nèi)容

材料合成

SiOC先驅(qū)體熱解

1000℃ Ar氣氛
Bi?O?水熱合成

120℃ 6h
復(fù)合質(zhì)量比優(yōu)化

SiOC/Bi?O? = 75:25

DIW墨水直寫3D打印工藝

墨水配方

SiOC/Bi?O?:Super-P:PVDF=75:10:15
打印參數(shù)

噴嘴直徑0.34mm，壓力0.1MPa，速度10mm/s
層厚控制

100-200μm

材料表征分析

圖3. (a)XRD分析 (b)Raman光譜 (c)BET比表面積 (d)孔徑分布 (e)XPS全譜

關(guān)鍵性能參數(shù)對比

參數(shù)	DIW墨水直寫3D打印電極	傳統(tǒng)鑄造電極	提升幅度
能量密度 (Wh/kg)	94.6	54.6	+73%
功率密度 (W/kg)	718.8	588.9	+22%
循環(huán)穩(wěn)定性 (5000次)	95.55%	83.2%	+12.35%

研究結(jié)論

突破性成果

電極孔隙率精準控制

82.4±3.2%

界面電荷轉(zhuǎn)移阻抗降低

62%（R_ct = 1.8Ω）

質(zhì)量比電容提升

997.5F/g @1A/g

產(chǎn)業(yè)化價值

能量密度提升73%
生產(chǎn)成本降低40%

（無模具費用）
適用于柔性可穿戴設(shè)備

（彎曲半徑＜5mm）

未來展望

多材料梯度打印技術(shù)開發(fā)
全固態(tài)電解質(zhì)集成方案
兆瓦級儲能系統(tǒng)應(yīng)用驗證

微觀結(jié)構(gòu)分析

圖4. (a)SEM顯微結(jié)構(gòu) (b)TEM晶格分析 (c)EDS元素分布

森工3D打印機功能分析

該研究（文章）使用了3D打印機哪些功能（模塊）

該研究（文章）使用了3D打印機哪些功能（模塊）:

森工3D打印在該類研究中功能匹配情況

森工3D打印機在該類研究中功能匹配情況:

要適配該類研究森工3D打印機需定制哪些功能

要適配該類研究森工3D打印機需定制哪些功能:

森工3D打印機已有功能模塊對該類研究應(yīng)用設(shè)想

森工3D打印機已有功能模塊對該類研究應(yīng)用設(shè)想:

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1. 科研型定位,滿足科研實驗可視化參數(shù)需求；
2. 材料支持范圍廣，兼容多學(xué)科多領(lǐng)域材料；
3. 支持自調(diào)配材料，靈活適應(yīng)科研實驗要求；
4. 少量材料即可打印測試，高效產(chǎn)出，節(jié)約實驗成本；
5. 支持多噴頭多通道多材料多模式打?。?
6. 支持各種外場輔助功能拓展和定制。

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