南京林業大学：スーパーキャパシタ用の窒素ドープ厚カーボン構造を3Dプリント

出典: 材料分析と応用

3D 印刷技術は、限られたスペースでの面積容量を向上させるために、高負荷密度のカスタマイズされた厚い電極設計を実現する大きな機会を提供します。しかし、優れたレオロジー特性を持つ 3D プリント可能なインクを配合し、厚肉電極内での電子/イオン輸送を促進するという重要な課題が残っています。この論文では、南京林業大学の梅長同教授と中国石油大学（華東）の梅春李氏が、「スーパーキャパシタ用3Dプリント窒素ドープ厚カーボン構造：インクレオロジーと電気化学性能」と題する論文をAdv Sci誌に発表した。彼らは、木材由来セルロースナノファイバー（CNF）、多層カーボンナノチューブ（MWCNT）、尿素からなる混合インクが、窒素ドープ厚電極の3Dプリント用に調合され、CNFがMWCNTの分散剤と増粘剤として機能し、尿素がドーパントとして機能することを研究した。

インクの濃度依存レオロジー特性と 3D 印刷プロセスを体系的に調整することで、さまざまなゲル構造を高い幾何学的精度と優れた形状忠実度で印刷することに成功しました。その後、凍結乾燥およびアニール処理を経て、印刷されたゲル構造は、階層的な多孔質構造と優れた電気化学的性能を備えた窒素ドープカーボンブロックに変換されました。さらに、3Dプリント技術と窒素ドーピング戦略を組み合わせて得られた2つの相互に噛み合ったカーボンブロックから組み立てられた準固体対称スーパーキャパシタは、0.56 mW cm−2で0.10 mWh cm−2のエネルギー密度を提供しました。この研究は、高性能の厚い炭素電極の 3D 印刷用の印刷可能なインクの配合に関するガイドラインを提供します。

図 1. ゲルインクの調製、レオロジー測定によるゲルインクの 3D 印刷適合性の評価、3D 印刷、凍結乾燥、アニール処理による自立型階層型多孔質 N ドープカーボン構造の調製、および 2 つの 3D 印刷された N ドープカーボン電極を使用した準固体対称スーパーキャパシタの製造を示す概略図。
図 2. CMU ゲルインクのレオロジー特性と 3D 印刷への適合性図 3. 3D 印刷、凍結乾燥、アニールされたブロックの形態と化学構造図 4. 3D 印刷されたカーボンブロックの電気化学的性能図 5. 3D 印刷された準固体対称スーパーキャパシタ (QSSC) の電気化学的性能
概要<br /> 要約すると、CMU インクの濃度依存レオロジー特性を研究し、3D 印刷パラメータを最適化することで、CNF、MWCNT、尿素で構成された 3D 印刷 CMU インクの開発に成功しました。この研究では、高性能スーパーキャパシタの 3D 印刷用インクの印刷性を最適化するための詳細なガイダンスを提供します。

文学：

https://doi.org/10.1002/advs.202206320

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