学术分享 I 突破储能瓶颈！多模态DIW直写3D打印技术助力深圳大学增材制造研究所团队打造超级电容器新标杆！

发布时间：2025-05-09 浏览量：分享到：

3D打印SiOC/Bi₂O₃纳米复合材料用于高性能非对称超级电容器

深圳大学增材制造研究所团队利用DIW墨水直写3D打印技术成功制备出SiOC/Bi₂O₃纳米复合材料电极，实现了非对称超级电容器（ASC）性能的跨越式提升。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159949

研究背景

全球能源挑战

年能耗增加5.8%，传统能源面临瓶颈
超级电容器(SCs)成为关键解决方案

超级电容器优势

功率密度

>10 kW/kg

循环寿命

>100,000次

充放电速度

秒级响应

现存技术挑战

传统电极材料孔隙分布不均匀（微孔占比＜40%）

硅基陶瓷材料(SiOC)与金属氧化物复合工艺复杂

二维结构电极离子扩散路径受限

创新解决方案：DIW 墨水直写3D打印技术

精确控制孔隙结构（分辨率达50μm）
实现多尺度结构一体化成型

图2. 电极制备工艺流程：(a)水热合成 (b)3D打印成型 (c)后处理

研究内容

材料合成

SiOC先驱体热解

1000℃ Ar气氛
Bi₂O₃水热合成

120℃ 6h
复合质量比优化

SiOC/Bi₂O₃ = 75:25

DIW墨水直写3D打印工艺

墨水配方

SiOC/Bi₂O₃:Super-P:PVDF=75:10:15
打印参数

喷嘴直径0.34mm，压力0.1MPa，速度10mm/s
层厚控制

100-200μm

材料表征分析

图3. (a)XRD分析 (b)Raman光谱 (c)BET比表面积 (d)孔径分布 (e)XPS全谱

关键性能参数对比

参数	DIW墨水直写3D打印电极	传统铸造电极	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%
循环稳定性 (5000次)	95.55%	83.2%	+12.35%

研究结论

突破性成果

电极孔隙率精准控制

82.4±3.2%

界面电荷转移阻抗降低

62%（R_ct = 1.8Ω）

质量比电容提升

997.5F/g @1A/g

产业化价值

能量密度提升73%
生产成本降低40%

（无模具费用）
适用于柔性可穿戴设备

（弯曲半径＜5mm）

未来展望

多材料梯度打印技术开发
全固态电解质集成方案
兆瓦级储能系统应用验证

微观结构分析

图4. (a)SEM显微结构 (b)TEM晶格分析 (c)EDS元素分布

森工3D打印机功能分析

该研究（文章）使用了3D打印机哪些功能（模块）

该研究（文章）使用了3D打印机哪些功能（模块）:

森工3D打印在该类研究中功能匹配情况

森工3D打印机在该类研究中功能匹配情况:

要适配该类研究森工3D打印机需定制哪些功能

要适配该类研究森工3D打印机需定制哪些功能:

森工3D打印机已有功能模块对该类研究应用设想

森工3D打印机已有功能模块对该类研究应用设想:

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文章来源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159949