熔融沉積建模（FDM）通過將熔融熱塑性長絲通過噴嘴擠出并逐層沉積來生產(chǎn)實(shí)用的 3D 電極，已變得越來越流行。FDM可以提供設(shè)計(jì)靈活性和可擴(kuò)展性，使其適合大規(guī)模生產(chǎn)。在此過程中，電極絲是通過將石墨、LTO和LFP等活性材料以及導(dǎo)電添加劑與聚乳酸 (PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚碳酸酯 (PC) 等熱塑性塑料混合而成。盡管使用FDM的印刷電池表現(xiàn)出設(shè)計(jì)靈活性，但由于活性和導(dǎo)電材料含量低或熱塑性塑料的存在，其電化學(xué)性能受到限制，影響了電解質(zhì)的可及性和導(dǎo)電性。

在此，美國特拉華大學(xué)付堃（Kelvin Fu）團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種約含65 wt.%填料的高負(fù)載電極絲，結(jié)合3D打印和后處理技術(shù)，加入增塑劑來制造具有增強(qiáng)電化學(xué)性能和機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)電極。通過3D打印實(shí)現(xiàn)電極（即蜂窩形正極和柱狀負(fù)極）的叉指設(shè)計(jì)，脫塑/碳化增強(qiáng)了電極內(nèi)電解液的分布，有助于提高面容量。

此外，本文采用創(chuàng)新方法制備的高負(fù)載長絲制造的結(jié)構(gòu)電池，有效防止脫塑/碳化過程中的尺寸變化，例如收縮和翹曲，從而產(chǎn)生機(jī)械堅(jiān)固的電極。碳化過程中形成的碳層能將排列各向異性的納米材料協(xié)同集成，從而進(jìn)一步提高了電極的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1. 結(jié)構(gòu)電極半電池的電化學(xué)性能

總之，該工作制造了約含65 wt.%填料的高負(fù)載電極絲，進(jìn)而制備出具有高機(jī)械性能和改善電化學(xué)性能的結(jié)構(gòu)電極。將3D打印和后處理技術(shù)相結(jié)合，蜂窩柱形叉指電極通過增加面負(fù)載密度和增強(qiáng)電極內(nèi)的電解質(zhì)分布來實(shí)現(xiàn)高面容量。在電流密度為0.92 mA cm^?2時(shí)全電池得到了增強(qiáng)的面容量（≈12.28 mAh cm^?2） 和能量密度 （≈233.69 Wh kg^?1和 ≈218.84 Wh L^?1）。

另外，在碳化過程中形成的碳涂層的打印結(jié)構(gòu)電池表現(xiàn)出協(xié)同增強(qiáng)的力學(xué)性能（模量為18.5 MPa，強(qiáng)度為1.09 MPa），明顯超過了其他文獻(xiàn)報(bào)道的3D打印電極的數(shù)值。因此，該工作為制造適用于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)電池提供了一種新方法，充分利用了3D打印技術(shù)的可擴(kuò)展性和靈活設(shè)計(jì)性，為先進(jìn)電池系統(tǒng)的開辟提供了可能性。

圖2. 結(jié)構(gòu)電極全電池的電化學(xué)性能

High-Loaded Electrode Filaments for Additive Manufacturing of Structural Batteries, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202301704