黄维院士团队、徐茜副教授，AFM观点：立体光刻技术制备三维可持续高性能金属电极

第一作者：李晨

通讯作者：徐茜*，黄维*

单位：西北工业大学

随着人类社会生活对小型智能便携设备需求的日益增加，需要性能强大且可持续的能量存储。因此，制备具有优良电化学和机械性能的轻质电极以满足这些需求显得尤为重要。

此外，现有储能装置的回收利用带来了重大的环境问题，尤其是金属基电极的回收，使得绿色能源的发展前景令人担忧。针对以上问题，此工作提出了一种简单有效且绿色可循环的3D多孔金属电极制备方法，并将其应用于水系镍铁电池，其优异的机械性能及电化学性能充分展示了该方法的可行性及其在未来能量存储上的应用前景。

基于此，西北工业大学的黄维院士团队徐茜副教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials 上发表题为“Stereolithography of 3D Sustainable Metal Electrodes towards High Performance Nickel Iron Battery”的研究文章。

该研究文章利用先进的数字光处理技术（DLP），开发了一种基于金属盐粉末的紫外光固化树脂配方，结合后续简单的脱脂、还原等热处理过程，最终实现三维高比表面积周期性多孔金属电极的可控制备。这有利于进一步拓展电极材料在打印中的运用，更好地利用3D打印技术的优势，制备出具有高比强度、高导电性以及高负载的金属电极集流体，进而实现更高能量密度和功率密度的能源器件。

图1. 三维可持续层级多孔金属电极制造示意图。

要点一： 高精度、层级多孔的3D金属电极制备

多孔金属的传统制造方法难以实现精细的结构特征尺寸和灵活的几何设计自由度。通过合理的三维结构设计，可在实现轻质电极的同时提升其机械性能，从而有助于达成电极实际应用的理想折衷。同时由于后处理过程中金属盐前驱体存在较大程度的收缩，这意味着使用普通台式光固化3D打印机即可实现超出打印设备限制的零件尺寸精度而无需依赖昂贵的先进光学器件，这也使得结构打印的操作难度及设备成本大大降低。

要点二：三维厚电极的性能保持

在此工作中，为研究这种电极构造方法在“厚电极”应用中的性能并进一步显示其优势，制备了厚度为4 mm的金属电极。结果指出，其活性材料（NiCo₂S₄）质量负载可达18.38 mg cm^-2，这得益于独特的电极结构设计使得比表面积大大增加。

同时此金属电极也在44.85 mA cm^-2电流密度下实现了7.327 mAh cm^-2的高面积容量，这为制造高性能厚电极提供了一种有前途的方法。随厚度的增加，电极面积容量呈线性增加，而质量容量和体积容量几乎保持不变，这表明3D打印电极中的离子扩散几乎不受电极厚度增加的影响，而这也意味着有望通过增加电极厚度来实现电极面积容量的潜在提升。

要点三：3D多孔金属制备的可持续循环和低成本

3D多孔金属的制造工艺实现了具有良好成本效益和可回收原材料的电极可持续生产。金属电极可以简单地用盐类置换或酸类蚀刻。回收的盐粉末可重复使用作为原料粉末，配制树脂后可直接印刷，其固化行为不会发生任何退化。根据初步结果，经过上述工艺获得的金属盐粉末回收率可达95 %以上，而对于尺寸为10*7.5*2 mm的3D打印镍基底，其制备成本仅需约0.8085 元。

要点四：前瞻

不可否认3D打印方法在未来储能器件制备上具有广阔的应用场景，以抵消固有良好（电）化学活性系统中多孔金属在性能和标度再现性方面的一些限制。合理设计具有物理化学组装在广义上不可能实现的结构和几何形状的金属中的周期性和孔隙率，可以实现专门为电化学储能（EES）应用而设计的金属电极制造，这是商业金属泡沫所不可能的。

例如，可以编程的孔隙率、弯曲度、孔径、方向性和表面积。本文提出的通过光固化技术印刷金属的新方法有望实现低成本和高精度制备的目标。未来，可依据此类方法，继续扩大可打印的材料体系，从而进一步扩大其电化学应用。

论文DOI：10.1002/adfm.202205317

黄维

黄维，中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。教授、博导，有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子与柔性电子学家。

黄维院士在柔性电子学，特别是有机电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果，以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics以及Nature Communications等国际主流SCI学术期刊发表研究论文800余篇，h因子为140，国际同行引用逾90000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。

获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项，出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。

徐茜副教授简介：2015年本科毕业于武汉理工大学材料科学与工程学院，2020年博士毕业于新加坡国立大学材料科学与工程系。2021年加入西北工业大学，现为柔性电子研究院印刷电子所副教授。长期从事增材制造印刷流墨开发和能源转换储能材料的研究。以第一或者通讯作者身份发表20余篇研究论文，包括ACS Nano, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental等，申请授权的国内外专利10余项。

投稿请联系contact@scimaterials.cn