[发明专利]一种基于光固化打印的孔隙可控电极的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于光固化打印的孔隙可控电极的制备方法，其具体步骤为：一、设计多孔电极的结构与微米孔隙；二、选取/调和光敏树脂作为打印材料；三、增加支撑，切片及3D打印，可以获得树脂电极结构(前驱体)，并后固化，干燥处理；四、在惰性气体环境下，等失重速率热解打印树脂结构；五、热解电极与活化剂混合放入镍坩锅内，并添加少量的去离子水，使活化剂布满电极表面；六、干燥镍坩锅，并在管式炉中氮气环境高温活化；七、取出样品，稀酸洗涤电极，去离子水洗涤电极后烘干，得到多孔电极。本发明的3D打印工艺具有流程简单，结构良好。通过该工艺可独立地对多孔电极的孔参数进行调控，对材料的电催化性能进行调控。

技术领域

本发明涉及储能材料与器件技术领域，具体的说，是一种基于光固化打印的孔隙可控电极的制备方法。

背景技术

3D打印是一种快速原型制造技术，它采用增材制造的方式实现三维CAD设计模型的制备。制备流程为：CAD模型设计，支撑的设计模型切片，层制造成型。常见的3D打印技术有基于沉积成型的FDM和DIW(Fused Deposition Modeling,Direct Ink Writing)，基于光固化成型的SLA，DLP和2PP(Stereolithography,Digital Light Processing,Two photonPolymerization)，基于粉末成型的SLS(M)选择性激光烧结(Selective Laser Sintering(melting))和Inkjet printing。其中基于光固化成型技术(SLA,DLP,2PP)具有打印精度高，成型表面光滑等优势。其中，成型精度最高的为2PP打印技术，可以打印三维特征尺寸150nm的结构，最大打印尺寸为100mm×100mm。SLA打印技术可打印结构最细小为0.4mm，目前，最大的成型空间为1500mm×750mm×550mm,在打印精度和成型范围之间具有较好的优化。DLP打印技术成型的精度为0.07mm，成型范围为104mm×75mm×203mm。在材料的选择方面，2PP由于采用的为双光子激发材料，因此对材料的光学性能要求较高，一般为特制材料。由于可以对开源DLP的固化参数进行调整，因此DLP适用材料最为广泛，多用于活性/功能材料的研发等实验室打印。基于DLP技术科打印基于树脂的陶瓷材料、碳材料、金属材料等。SLA打印技术采用工业化的3D打印光固化树脂，在打印精度和打印空间具有良好的协调，因此在大规模打印应用方面具有优势。

在环保与能源的双重压力下，可再生能源(风能，太阳能等)在能源中所占比例日益增大，电动汽车的越来越多。这些都对电池、液流电池、超级电容器、电化学储能设备(EES)的储能容量和比功率的输出提出的更高的要求。进而对电极这一核心部件提出了更高的要求：优异的电极应具有催化活性高、导电性能好、电流密度大等优点。

碳材料具有物理化学性能方便调整，容易进行修饰，成本较低，可以制备多孔结构，同时物理化学性能稳定等优点，在电化学储能设备中具有广泛应用，例如：碳-锌干电池，燃料电池，液流电池，超级电容器等。

多孔电极孔隙的大小、数量与分布对电极的表面积、电极内活性物质的传递具有重要的影响，而较大的表面积可以获得大的电化学活性面积，进而提高电池的能量输出/输入密度。优异的活性物质传输性能，可以及时将反应物移至电极活性位，将产物移至电解质主体，促进充放电的进行。对于液流电池，合理的孔隙分布可以降低流体输送阻力(依据设计结构不同，一般成倍降低)，从而提高电池的效率15％以上。

而目前多孔碳电极多为活性炭压制成型、石墨/碳毡、碳布/碳纸电极等电极，而此类电极中，孔隙多为活化孔隙，或者碳纤维编织孔隙。而碳纸电极由于碳层较薄，孔隙率较大，可以忽略电极内的活性物质传递过程，但其比表面积较小，成本较高，不适用于大规模的储能应用。活性碳压制电极与石墨毡电极由于具有较大的比表面积，在钒液流电池中有较广泛的应用，但不能对其孔隙结构、数量、分布的精确控制，特别是对流体力学性能具有重大影响的孔隙，即尺寸为100-1000μm的孔隙。

发明内容