近日，我院刘天西教授/李乐副教授在3D打印微型电化学储能器件方面取得了重要进展，研究成果以“3D-Printed Ultrahigh-Conductivity Polymer Gel Electrodes with High Mass Loading for Thickness-Independent Zinc-Ion Hybrid Micro-Supercapacitors”为题在线发表在材料领域学术期刊《Advanced Functional Materials》上（DOI:10.1002/adfm.202510541）。
随着可穿戴和植入式微电子技术的快速发展，锌离子混合微型超级电容器（ZHMSCs）因其低成本、安全性、高能量密度和高功率密度，成为了下一代储能系统的重要候选。然而，要实现高性能ZHMSCs，关键在于克服电容器型阴极和电池型阳极之间的容量和动力学不匹配问题。因此，迫切需要开发新型兼具高容量和快速电荷传输动力学的电极材料。同时，传统的电极制备技术难以实现高负载、厚电极的制备，而墨水直写（DIW）3D打印则提供了一种逐层构建、结构可定制的厚电极设计，从而大幅提升器件的能量存储性能。特别是PEDOT:PSS作为一种具备优异导电性、高电化学活性及溶液加工性能的可打印电极材料，备受关注。然而，现有的低浓度可打印PEDOT:PSS基油墨无法满足超高质量负载厚电极的要求，且其绝缘PSS组分不仅限制电荷传输，还难以通过安全环保的工艺去除。更重要的是，高负载下不可控的结构堆积限制了电解质离子的有效可及性，进而影响了电极活性材料的利用率。
为了解决这一问题，本研究提出Zn2+离子和冻融工艺协同调控电极凝胶网络的新策略，并通过DIW 3D打印技术成功制备出具有超高导电性和快速电荷传输动力学特性的高负载Zn2+-PEDOT:PSS/MXene凝胶电极。通过优化PEDOT:PSS与MXene之间的界面相互作用，研究团队开发出高浓度、可控制备的打印油墨，并利用3D打印技术获得了负载量高达32.2 mg cm-2且形状保真度优异的厚电极。更为重要的是，通过MXene掺杂、Zn2+配位与冻融处理的三重协同作用，有效去除了绝缘的PSS组分并精确调控了PEDOT的电子结构，成功构建了兼具三维连续导电网络与分级多孔结构的先进电极体系。该电极不仅提升了离子/电子传输性能，还大幅改善了高负载下的电化学性能。所组装的准固态锌离子混合微型超级电容器，采用3D打印聚合物凝胶阴极与电沉积Zn纳米片阳极的优化设计，展现出创纪录的2179 mF cm-2的面电容和333.6 μWh cm-2的能量密度，其厚度无关的电容特性和卓越的倍率性能远超现有的锌离子混合电容器。这项工作通过创新的电极结构设计和先进的3D打印技术融合，为开发下一代高能量密度微型储能器件提供了全新的设计理念和技术路径，具有广泛的应用前景，尤其在柔性电子和可穿戴设备中展现了巨大的潜力。
图1 3D打印导电聚合物凝胶凝胶基锌离子混合超级电容器及柔性可穿戴器件
