美國 Lawrence Livermore National Laboratory 研製 3D 打印電極 儲能容量加倍 維持 7,500 次充放電

勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）的研究人員開發出一種用於電化學能量儲存（EES）裝置（如可充電電池和超級電容器）的3D打印電極設計。此設計解決了儲存裝置中高容量（儲存大量能量）和高功率（快速釋放能量）之間的衝突。開發團隊選擇優化的互鎖3D設計，以消除離子通常被困住的「死區」。這種新架構使儲存容量加倍，同時不影響電動車和電網儲存等應用所需的充電速度或可靠性。

「在傳統平板式設計中，大量電池材料因離子無法有效到達深層區域而未被充分利用，從而產生死區並在介面附近造成集中的電阻損耗，」LLNL 計算工程部門（CED）合著作者兼研究員 Giovanna Bucci 解釋道。

厚電極問題

電化學能量儲存裝置依賴體積與速度之間的微妙平衡。厚電極透過容納更多活性材料提供更大儲存容量，但也阻礙陽極與陰極之間的離子移動，從而減慢充電速度。為應對此挑戰，研究人員將焦點從化學成分轉移至結構創新，尋求平衡體積與功率的設計。LLNL 研究人員開發出5.8毫米超厚電極，克服了傳統體積較大能量儲存裝置的典型性能下降問題。在這項新工作中，3D打印與計算設計優化相結合，創造出複雜的互鎖電極結構，最大化儲存空間而不損害性能。

此架構最大化表面積，並確保離子在整個結構中擁有短而易達的路徑。「電腦能產生單憑經驗難以直覺的幾何形狀，但這些形狀直接對應裝置的限制物理特性。它幫助我們理解某些幾何特徵為何有效，以及不同幾何形狀如何適用於不同應用場景，」CED 研究員 Hanyu Li 表示。 利用基於實驗數據的優化框架，團隊透過多材料微米立體光刻技術，使用特殊樹脂製造出4毫米互指電極。兩步驟過程包括打印多孔氧化石墨烯基底以提升離子融合，接著施加金屬表面層以提高電子導電性。

此「互鎖手指」幾何形狀最大化表面積並消除死區，為離子與電子運輸提供眾多進出點。「此研究將電極架構視為與材料本身同等重要的性能槓桿，」CED 研究員 Thomas Roy 表示。「優化的互滲3D佈局為離子創造眾多可達路徑，而整合導電網路則支撐結構內的電子運輸。」 優化電極超越了2D模型及先前3D打印版本，提供優越儲存容量、更低電阻，以及超過7,500次循環的穩健壽命。

下一步目標是將此框架擴展至多樣應用，如鋰離子電池和電動車。透過此擴展，該技術可應用於下一代消費電子產品和高性能可再生能源基礎設施的架構。研究結果刊登於 Materials Horizons 期刊。