盖世汽车讯 可充电电池和超级电容器等电化学储能（EES）器件能够储存大量能量并快速释放，但这些设计目标往往相互矛盾。据外媒报道，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的工程师和科学家团队利用设计优化和3D打印技术，攻克了这一难题，并展示了一种用于EES的3D打印电极设计，能够在实际条件下最大限度地提高储能容量。

这款5.8毫米的超厚器件由两个互锁电极构成，能够最大限度地利用活性材料并促进离子和电子的传输。其性能优于传统设计，展现了优化在推动下一代储能技术发展方面的潜力。相关研究成果发表于期刊《Materials Horizons》。

图片来源：LLNL

EES器件通过电化学反应储存和释放能量。较厚的电极可以提供更多的活性材料，从而提高储能容量，但同时也阻碍了阳极和阴极之间离子的传输，限制了功率输出（例如充电速度）。研究团队认为，解决方案可能在于电极的结构设计。

LLNL计算工程部（Computational Engineering Division，CED）的研究员、该论文合著者Giovanna Bucci解释说：“在传统的片状设计中，由于离子无法有效地到达深层区域，导致大量电池材料未被充分利用，从而在界面附近形成死区和集中电阻损耗。”

探索全新设计空间

3D打印技术开辟了更为广阔的设计空间，而计算设计优化则使研究人员能够高效地探索这些空间，并为复杂问题找到非直观的设计解决方案。虽然优化技术此前已被用于设计EEC电极，但该团队首次对两个电极进行了同时优化。

CED研究员Hanyu Li表示：“计算机可以生成仅凭经验难以直观理解的几何形状，而这些形状却与器件的物理极限直接相关。计算机有助于我们理解某些几何特征的优势，以及不同的几何形状如何适用于不同的应用场景。”

研究团队基于实验数据构建了一个优化框架来生成设计方案，然后使用独特的树脂配方和多材料微立体光刻（PµSL）技术进行打印。电极的打印分两步进行：首先，打印一层多孔氧化石墨烯薄片作为基底层，以促进离子融合；然后，在表面沉积一层金以提高导电性。

这些4毫米的电极采用叉指式结构，如同交错的手指一般。这种设计能够分散活性材料，减少“死区”，并增加表面积，为电极颗粒提供充足的进出通道，从而促进电子传输。

CED研究员Thomas Roy表示：“这项研究将电极结构视为与材料本身同等重要的性能驱动因素。优化的互穿式3D布局为离子提供了许多可及的通道，而集成的导电网络则支持电子在结构中的传输。”

优化后的电极性能优于传统的2D设计和其他3D打印的碳基超级电容器，展现出更高的电容、更优异的电荷存储和能量存储性能以及更低的电阻。该器件在超过7500次充放电循环中也表现出了出色的稳定性和可靠性。

物理与生命科学研究员Marcus Worsley表示：“真正的突破并非在于某个孤立的组件，而在于它们的集成。该项目的跨学科性质表明，我们团队和LLNL在应对此类合作项目和复杂问题方面所拥有的独特优势。”

该团队计划在现有成果的基础上，将优化框架扩展到其他器件，例如锂离子电池、可拉伸电池的化学机械协同设计、电化学液流电池和电化学矿物分离。他们还计划探索如何将该技术应用于大规模生产，从而为包括消费电子产品、电动汽车、可再生能源等在内的应用领域提供优化的下一代EES器件。