东南大学吕之阳教授ESM：3D打印微电池厚电极，机械性能与电化学性能兼备！

第一作者：郭驰

通讯作者：吕之阳*

单位：东南大学，机械工程学院

微型电池作为微型电子器件的关键能源组件，对其能量密度与体积稳定性提出了更高要求。然而，传统的二维（2D）薄膜电极受限于结构设计，其能量密度难以满足高集成器件的需求。相比之下，三维（3D）厚电极因其更高的活性物质负载量，被认为是提升能量密度的有效途径。然而，在使用微米级活性材料（如μ-Si）时，3D厚电极中冗长的离子扩散路径会导致传输迟缓，限制倍率性能。

为提升电极的离子输运效率，近年来已有多项研究尝试引入低曲折度多孔结构，例如冷冻铸造、仿生模板、磁场定向等方法，旨在形成各向有序的通道网络。然而，这些工艺在实现结构可控性和定制化方面存在一定限制，难以满足不同器件对电极结构的多样化需求。作为一种具备高度自由度和结构设计灵活性的增材制造技术，墨水直写成型3D打印为构建定制化厚电极提供了新的解决思路。已有研究通过DIW成功制备出600 μm以上的磷酸铁锂、硫正极、石墨和硅负极等厚电极。尽管如此，现有3D打印电极仍普遍存在孔隙结构无序、离子扩散效率低及力学性能不足的问题。尤其是在高长径比结构中，循环过程中的应力集中和体积膨胀（如硅负极>300%的体积变化）极易导致结构破坏。因此，在保持高能量密度的同时，提升3D电极的机械稳定性和倍率性能，仍是其面向实际应用的关键挑战。

针对3D厚电极在机械稳定性与倍率性能难以兼得的瓶颈，东南大学机械工程学院吕之阳教授团队提出了一种原位定向冷冻辅助墨水直写成型的新策略，并在国际能源材料领域权威期刊 Energy Storage Materials 发表了题为：“Highly pressure-resistant and high-rate ultrathick micro-Si anodes for 3D microbatteries via direct-ink-writing of directionally continuous porous microstructure”的研究论文。该研究将定向冷冻诱导的孔道排列机制与逐层打印工艺相结合，构建了具有垂直连续多孔结构的超厚微米级硅负极（μ-Si）。所制备的电极厚度可达2.7 mm，展现出高达14 mAh cm^-2的面容量，在微型电池结构中实现了高能量密度与高倍率性能的协同优化。垂直定向通道在有效降低离子扩散阻力的同时，显著提高了电极的压缩模量（达3.04 MPa），从而有效抑制了μ-Si在循环过程中的体积膨胀问题。本研究不仅为实现高性能3D厚电极提供了新路径，也为未来微型储能器件的发展奠定了重要基础。

本研究受仿生启发，设计出具有垂直取向多孔通道的3D微电极结构。有限元分析和COMSOL模拟验证其在承受外力时应变小、应力分布均匀，并显著加快锂离子传输，展现出优异的力学稳定性与电化学反应动力学，为厚电极结构设计提供理论支撑。

提出原位定向冷冻辅助直写成型工艺，基于剪切稀化墨水和瞬时定向冷冻技术，成功构筑出具有高度可控垂直孔道结构的超厚微米硅负极（厚度达2.7 mm）。该技术支持复杂结构打印（如仿生Bouligand构型），为定制化、高性能微型电池电极提供新路径。

Highly pressure-resistant and high-rate ultrathick micro-Si anodes for 3D microbatteries via direct-ink-writing of directionally continuous porous microstructure

吕之阳，东南大学青年首席教授，国家海外高层次青年人才项目入选者。2014年博士毕业于南京大学，导师胡征教授。2015-2020年在新加坡国立大学从事博士后研究工作。研究方向为多学科交叉的“增材制造结构材料与器件”，包括3D/4D打印技术设计与开发，结构电池微型化、定制化和一体化设计与制造，各向异性结构气凝胶材料设计制造及其在热电磁声等方面应用，以及机器学习预测新材料与新结构等。共发表SCI期刊论文70余篇，主要包括Joule，Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Energy Storage Mater.，IJEM，Nano Energy，Interdisciplinary Materials等。主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、江苏省双创博士等多项科研项目。担任中国机械工程学会极端制造分会委员、中国颗粒学会青年理事、中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员、中国微米纳米技术学会微纳复合材料分会理事、江苏省可再生能源学会理事，Fundamental Research、International Journal of Extreme Manufacturing、Nano-Micro Letters、DeCarbon杂志青年编委。

郭驰，东南大学机械工程学院在读博士生，导师吕之阳教授，研究方向为3D打印结构电池，以第一作者身份发表SCI期刊论文4篇，包括Adv. Funct. Mater.，Energy Storage Mater. （2），Nano Energy。