摘要：
石墨烯优异的力学和物理性能使其成为理想的储能材料。因结构精确可控、易实现规模化制备，3D 打印石墨烯材料有望在储能领域得到广泛应用。本文全面综述了 3D 打印石墨烯制备技术及其在储能领域的应用研究进展。石墨烯墨水的黏度和可打印性是实现石墨烯 3D 打印的制约因素。实现工艺简单、浓度可控、无黏结剂石墨烯墨水的规模化打印将成为未来研究热点。石墨烯超级电容器、锂硫电池、锂离子电池等储能元件的一体化打印是未来的发展方向。

1. 3D 打印石墨烯研究进展

石墨烯纳米片是由碳原子组成的单层二维晶体，6 个碳原子以 sp² 杂化方式构成蜂窝状晶格。其特点包括：

超高强度
高热导率
高透光率
巨大比表面积（＞2500 m²/g）
极高电子迁移率（200000 cm²/V·s）

这些优异性能使其成为储能材料（电池、电容器等）的理想候选。

然而二维石墨烯易堆叠，导致性能下降。因此发展 3D 石墨烯结构成为关键，其多孔结构有利于：

增加离子接触面积
提升离子/电子传输效率

但 3D 石墨烯的大规模制备仍面临挑战。

目前 3D 石墨烯制备方法主要包括：

模板法（CVD、水热、电沉积等）
非模板法（抽滤、水热凝胶、蒸发等）

均难以兼顾“可设计结构”和“规模化量产”。而 3D 打印技术成为最具潜力的解决方案。

1.1 3D 打印聚合物/石墨烯复合材料

早期研究将石墨烯加入热塑性聚合物作为导电添加剂，通过 FDM/喷墨打印获得复合材料。

主要挑战：

石墨烯易团聚
高含量石墨烯降低可打印性
复合材料电导率受限

尽管如此，通过喷墨打印、改性分散、聚合物黏结剂技术，提高了复合材料的电导率与结构完整性。

1.2 3D 打印低浓度氧化石墨烯

使用 GO（氧化石墨烯）打印，可实现无黏结剂的 3D 打印，例如：

微尺度 GO 纳米线打印（直径 150nm）
冷冻铸造 + 喷墨工艺打印宏观 3D GO

打印结构经还原（热/化学）得到还原石墨烯。

优点：

保持石墨烯本征导电性
可实现轻质多孔结构

局限：

工艺复杂
温控要求高
无法大规模产业化

1.3 3D 打印高浓度氧化石墨烯

当 GO 浓度大于 13.35 mg/mL 时呈现类液晶特性，具备良好黏弹性，可实现真正意义上的 3D 打印。

代表性成果：

20–85 mg/mL 的 GO 墨水可直接喷墨
形成结构精确可控的 3D 石墨烯
高电导率
轻质可压缩（承重比高达 16100）

这种方法被认为是 最具产业化前景的 3D 石墨烯制备技术。

2. 3D 打印石墨烯在储能领域中的应用

3D 打印石墨烯在以下储能器件中表现突出：

2.1 超级电容器

3D 打印石墨烯作为电极材料具有：

高比表面积
快速离子传输
超高电导率
卓越循环寿命（>10,000 次保持 95% 容量）

代表性能：

比电容：4–124 F/cm³
体积能量密度：4.4 mWh/cm³
体积功率密度：42 kW/cm³

2.2 锂离子电池

通过 3D 打印可直接打印：

正极（LFP/石墨烯）
负极（LTO/石墨烯）
隔膜
固态电解质

电池整体打印成型。

性能（10 mA/g）：

LFP 正极：168 mAh/g
LTO 负极：184 mAh/g
全电池：117 mAh/g

性能优于常规制备方法。

3. 结束语

3D 打印石墨烯兼具：

高电导率
可设计结构
可规模化
适用于多种储能器件

未来发展方向：

高浓度 GO 同步还原打印技术
无黏结剂、可控黏度石墨烯墨水开发
储能元件一体化结构打印
应用扩展：锂硫电池、燃料电池、太阳能电池等

📝 来源

材料工程网（侵删）
原文地址：http://html.rhhz.net/CLGC/html/20171218.htm