SmartMat|综述：从文献计量分析：3D打印设计策略和电池应用，重点关注锌离子电池
学术
科技
2024-11-12 12:06
天津
Xuan Gao, Kejiang Liu, Chang Su, Wei Zhang, Yuhang Dai, Ivan P. Parkin, Claire J. Carmalt, Guanjie He. From bibliometric analysis: 3D printing design strategies and battery applications with a focus on zinc-ion batteries. SmartMat. 2024; 5:e1197.
https://doi.org/10.1002/smm2.1197
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三维(3D)打印有可能彻底改变储能设备的设计和制造方式。在本文中，我们探索了3D打印在储能设备设计和生产中的应用，特别是锌离子电池(ZIBs)，并研究了其相对于传统制造方法的潜在优势。3D打印可以显著改善ZIBs的定制，使其成为未来储能的一种有前途的策略。特别是，3D打印允许创建复杂的定制几何形状和设计，可以优化电池的能量密度、功率密度和整体性能。同时，我们讨论和比较了基于薄膜、交叉数字化和框架的不同配置的3D打印设计策略对储能器件的影响，重点是ZIBs。此外，3D打印能够实现电池的快速原型制作和生产，与传统制造方法相比，减少了交付时间和成本。然而，也有一些挑战和限制需要考虑，例如需要进一步开发适用于储能应用的3D打印材料和工艺。
图 1. (A)总结了3D打印电池的优势。(B)根据不同配置对3D打印电池的性能参数进行分级的雷达图。图 2. (A)排名前十的国家3D打印电池论文数量和发展趋势。(B)主要国家的国家合作网络。(C)3D打印电池机构合作网络。(D)3D打印电池论文的引文分布。
图 3.具有不同聚合物粘合剂溶液的负极浆料油墨在不锈钢箔上的印刷质量显著提高:(A)由具有羧甲基纤维素和苯乙烯-丁二烯橡胶粘合剂的MnO2负极油墨配方制成的印刷膜。(B)由含有PSBR粘合剂的负极油墨配方制成的增强印刷膜。(C)在不锈钢箔上的五层连续印刷的PSBR阴极膜。Copyright 2014, Elsevier.
图 4. 3D打印过程示意图。(A)用30微米喷嘴在金收集器(B) LTO和(C) LFP上印刷，然后烧结，(D)最后包装。Copyright 2013, Wiley-VCH.图 5. E-ReSe2@INC//AC 3DP-SIHCs的制备。(A) E-ReSe2@INC//AC 3DP-SIHCs器件及其充电过程示意图。(B)表观粘度随剪切速率的函数。(C) E-ReSe2@INC//AC 3DP-SIHCs与其他已报道的储能装置的Ragone图。(D)在不同温度下，在0.5 A/g 电流密度下3DP-SIHCs器件的恒流充放电曲线。Copyright 2022, Wiley-VCH. (E) MoP@NC-1//AC 3DP-PIHCs器件及其充电过程示意图。Copyright 2021, Wiley-VCH.
图 6. 印刷法制备Zn/MnO2平面微型电池。（A-D）丝网印刷Zn/MnO2微型电池制造示意图：(A)空白PET衬底，(B)印刷石墨烯集流器，(C)印刷MnO2阴极，(D)印刷Zn阳极。(E)空白PET衬底，(F)石墨烯集流器，(G)印刷MnO2阴极，(H)印刷锌阳极在交叉的石墨烯手指上。锌/MnO2 MBs印迹在几种基材上，包括(I)织物，(J) A4纸和(K)玻璃。Copyright 2020, Oxford University Press.
图 7. (A) 3D打印设备打印机的多喷嘴打印系统和加热板照片；插图分别显示了单结构、并联结构和串联结构的环形集流器。3D打印柔性电池的电化学性能：(B)不同扫描速率下的CV曲线；(C)不同电流密度下的放电曲线。(D)静态扫描速率为8.0 mV/s时的CV曲线。(E)电流密度为1.6 mA/cm2时的放电曲线（插图为静态时的照片）。(F)不同弯曲状态下的柔性电池照片。(G)扫描速率为8.0 mV/s时3D打印柔性电池在不同弯曲状态下的CV曲线。(H)电流密度为1.6 mA/cm2时不同状态下的放电曲线。Copyright 2022, Wiley-VCH.图 8. (A) 2、(B) 5、(C) 10 mA·h/cm2容量的Zn在二维Ni和(E) 2、(F) 5、(G) 10 mA·h/cm2容量的3D Ni上的扫描电镜图像。(D) 2D Ni和(H) 3D Ni上相应的Zn沉积示意图。Copyright 2021, Wiley-VCH.
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作者简介
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Claire J. Carmalt是伦敦大学学院（UCL）无机化学教授，化学系主任。她的研究涉及分子前体的合成和薄膜沉积技术的发展。2016年，她成为第18任化学系主任，也是第一位被任命为该职位的女性。2021年，她获得了伦敦大学学院杰出贡献奖。她还因在材料化学方面的工作而获得了2000年RSC Meldola奖章奖以及2019年RSC应用无机化学奖。
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何冠杰博士，英国伦敦大学学院化学工程系助理教授、博士生导师。2018年获伦敦大学学院博士学位，博士期间曾访问耶鲁大学。他曾在伦敦玛丽女王大学（2022/01-2022/09）和林肯大学（2019/12-2022/01）工作。主要研究方向为水性电池、电催化材料与器件、高级表征与仿真。在Joule, Adv. Mat. 等顶级学术期刊上发表论文100余篇，获得纳米级新兴科学家、EPSRC新兴学者奖、STFC青年学者奖等荣誉。
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