美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员近日开发出一种用于电化学储能设备的3D打印电极设计，成功解决了储能设备中高容量与高功率之间的矛盾。相关成果发表于《材料视野》（Materials Horizons）期刊。

传统厚电极虽然能容纳更多活性材料、提升储能容量，但会阻碍阳极与阴极之间的离子移动，导致充电速度下降。“在传统的板状设计中，由于离子无法有效到达深层区域，导致大量电池材料未充分利用，从而在界面附近产生死区和集中电阻损耗，”LLNL计算工程部研究员、论文合著者乔瓦娜·布奇解释道。

研究团队将焦点从材料化学成分转向结构创新，结合计算设计优化与3D打印技术，创建了一种复杂的互锁式三维电极结构。该设计最大化了表面积，确保离子在整个结构中拥有短而便捷的通道。论文合著者、CED研究员李涵宇表示：“计算机可以生成仅凭经验难以直观理解的几何形状，但这些形状与设备的物理极限直接相关。这有助于我们理解为什么某些几何特征是好的，以及不同的几何形状如何适用于不同的应用场景。”

在制造环节，团队利用多材料微立体光刻技术和特殊树脂，分两步打印出4毫米叉指电极：首先打印多孔氧化石墨烯基底以增强离子融合，再沉积金表面层以提高电子导电性。这种“互锁手指”结构消除了死区，为离子和电子提供了大量进出通道。CED研究员托马斯·罗伊指出：“这项研究将电极结构视为与材料本身同等重要的性能因素。优化的互穿三维布局为离子创造了许多可及通道，而集成的导电网络则支持电子在结构中的传输。”

优化后的5.8毫米超厚电极在测试中展现出倍增的存储容量、更低的电阻，以及在超过7500次充放电循环中的可靠寿命。物理与生命科学研究员马库斯·沃斯利表示：“真正的突破并非某个孤立组件，而在于集成。”

研究团队计划将这一优化框架扩展至锂离子电池、电动汽车及可再生能源基础设施等领域。