中国地质大学（武汉），CEJ：快速焦耳加热法合成MnO₂/碳复合材料用于3D打印电极

第一作者：曹骏

通讯作者：邓恒

单位：中国地质大学（武汉）

随着可持续能源需求的不断增长，高性能能量存储技术愈发重要。超级电容器（SCs）和锂离子电池（LIBs）等储能系统因高能量密度和功率密度备受关注。然而，传统电极制造方法难以兼顾复杂结构与高性能。3D打印技术为电极设计带来新思路，可优化结构、提升性能。但打印前实现导电支架与电活性材料强结合仍是关键挑战。传统湿化学方法虽能改善界面结合，但复杂且低可扩展性限制了其应用。因此，快速焦耳加热（FJH）等极端纳米制造技术应运而生，能在高温高压下快速合成高性能纳米复合材料，为3D打印电极优化提供新方案。

中国地质大学（武汉）邓恒教授团队在Chemical Engineering Journal发表“3D-Printed porous MnO₂/Carbon composites synthesized via fast joule heating for energy storage electrodes”论文。研究提出基于快速焦耳加热（FJH）合成多孔MnO₂/碳复合材料新方法并用于3D打印电极。在约1800°C、1秒内完成加热的极端条件下，将天然菱锰矿和聚酰亚胺转化为MnO₂纳米颗粒与碳纤维复合结构，实现MnO₂与高孔隙率碳强结合。该复合材料加工成导电油墨用于DIW技术打印定制结构3D电极。实验显示，超级电容器中比电容达411.3 mF cm⁻²（1.0 A g⁻¹），锂离子电池中400次循环后容量570.9 mAh g⁻¹、库仑效率97.8%。优异性能证明FJH方法高效，展示3D打印在高性能储能应用潜力，为下一代设备开发提供新方向。

FJH技术能在1秒内将温度提升至1800°C，把天然菱锰矿与聚酰亚胺转化成多孔的MnO₂/碳复合材料，使MnO₂纳米颗粒和碳纤维紧密锚定在一起，从而为3D打印提供了理想的材料基础。在3D打印过程中，运用该复合材料制成的导电油墨，能够精确地构建超级电容器以及锂离子电池的电极结构，这为高性能储能设备的研发提供了全新的思路。

透射电镜等表征方法揭示了材料中MnO₂纳米颗粒与碳纤维之间存在强界面结合，这种结合在后续的机械加工（如3D打印浆料的制备）过程中展现出了优异的稳定性，为高性能电极的制备提供了重要保障。

3D打印形成的锂离子电池三维立体化电极和超级电容器电极均呈现出优异的电化学性能

3D-Printed porous MnO₂/Carbon composites synthesized via fast joule heating for energy storage electrodes