• 作者介绍

第一作者

王腾（武汉大学）

研究方向：长期从事先进制造柔性储能材料与器件、3D 打印微型电池及可穿戴储能器件集成应用研究、材料模拟与计算等方面研究。

通讯作者

赵焱（四川大学、武汉大学）

研究方向：长期从事理论计算化学和计算材料学等领域的研究工作，在高精确度理论化学数据库的发展、新一代密度泛函的开发和应用、新能源环境纳米材料、计算化学软件开发、材料人工智能设计与智造和3D 打印等领域做出了开拓性贡献。

田晓聪（武汉理工大学）

研究方向：从事先进能源材料、新型电化学微纳器件、集成式能源系统、3D 打印结构-功能一体化材料与器件方面的研究。

• 文章导读

近日，武汉大学赵焱教授团队在Nanomaterials 发表题为“Multiscale Ion-Electron Transport in 3D-Printed Hierarchically Porous Full Batteries”的研究论文。该工作针对高负载和厚电极中离子扩散路径延长、电子传输受限以及极化加剧等问题，提出了一种基于3D 打印分级多孔结构与rGO-CNTs 多尺度导电网络协同设计的全电池构筑策略。研究团队通过直接墨水书写 (Direct Ink Writing, DIW) 构筑具有可控层数和开放孔道的三维周期性晶格电极，并利用二维还原氧化石墨烯 (rGO) 与一维碳纳米管 (CNTs) 构建连续导电网络，实现从宏观打印孔道到微纳尺度导电结构的协同调控。该设计能够同时缩短离子扩散距离、降低传输曲折度并建立连续电子传输路径，从而改善高负载3D 打印电极中的离子–电子协同传输。基于该策略构筑的3D 打印LiCoO₂//Li₄Ti₅O₁₂ (LCO//LTO) 全电池在0.1 C 下实现151.4 mAh g^-1 的比容量，并在3000次循环后保持97.1%的容量，同时能够稳定驱动数字秒表，展示了该设计在可定制储能器件中的应用潜力。

• 研究背景

随着便携式电子设备、电动交通以及智能化能源系统快速发展，锂离子电池不仅需要更高的能量和功率输出，还面临高负载、快速充放电以及结构定制化等需求。传统浆料涂覆和层压工艺通常形成较为致密的电极结构。当电极厚度和活性物质负载量增加时，离子传输距离随之增加，电解液难以充分浸润电极内部，并容易产生较大的浓度梯度和极化，从而限制活性材料利用率和倍率性能。3D 打印为解决这一问题提供了新的制造路径。通过数字化控制材料沉积过程，可以直接构筑具有特定孔隙、尺寸、层数和空间拓扑结构的三维电极。然而，仅仅实现电极的“三维化”并不足以解决厚电极中的传输问题。如何进一步协调宏观孔道中的离子输运与微观导电网络中的电子传输，是实现高性能3D 打印电池的关键。基于此，本研究从打印结构—孔隙网络—导电网络—电化学传输多个尺度出发，将3D 打印结构与rGO-CNTs 复合导电网络相结合，建立兼顾离子扩散和电子传导的多尺度传输体系。

• 研究内容

一、分级多孔3D 打印电极的设计与构筑

图1. 3D 打印分级多孔电极及多尺度离子–电子传输设计示意图

研究团队首先构建了适用于DIW 的功能电极油墨，并通过逐层打印形成周期性三维晶格结构。与传统平面电极相比，这种制造方式可以对电极的孔隙结构、打印间距、层数以及活性物质负载量进行数字化调控。其中，3D 打印形成的宏观开放孔道为电解液快速渗透提供传输通道，有助于缩短Li+ 的有效扩散距离；在微观尺度上，rGO 片层形成二维导电平面，而CNTs 进一步连接相邻颗粒和rGO 片层，形成长程电子传输网络。因此，宏观3D 孔道与微纳尺度rGO-CNTs 网络共同构成了分级离子–电子传输体系。

二、可打印油墨与三维结构的精确调控

图2. 3D 打印电极油墨及不同层数三维电极的结构表征

为保证复杂三维结构的稳定成形，研究进一步对电极油墨的打印性能进行了优化。适宜的油墨体系能够在挤出过程中顺利流动，并在沉积后快速恢复结构，从而保持打印线条的形貌和尺寸。通过逐层堆叠，打印电极仍保持清晰的线条边界和规则的孔隙结构。打印结果进一步显示，电极具有均匀的线宽和间距，表明该策略兼具较好的垂直构筑能力和尺度扩展潜力。这一结果为后续通过增加打印层数提升单位面积活性物质负载量提供了结构基础。

三、rGO-CNTs 构建多尺度连续导电网络

图3. 3D 打印LCO-G-C 电极的形貌、结构及孔隙特征

SEM 结果进一步揭示了3D 打印电极内部的多尺度结构。打印线条之间形成相互连通的开放通道，可为电解液渗透和Li⁺ 输运提供连续路径。在更小尺度上，褶皱的rGO 片层包覆并连接LCO 颗粒，形成二维电子传输界面；CNTs 则进一步跨越相邻颗粒及rGO 片层之间的间隙，形成一维“桥梁”。这种二维rGO 与一维CNTs 的协同结构建立了更加连续的电子传输网络。相比之下，采用Super P 的对照电极出现更明显的碳材料团聚和不连续导电区域。

四、多尺度传输结构提升高负载电极性能

图4. 3D 打印LCO-G-C 电极的电化学性能及高负载特性

电化学测试进一步验证了上述结构设计的作用。与rGO-Super P 体系相比，rGO-CNTs 电极表现出更加明显且对称的氧化还原峰、更小的极化以及更低的电荷转移阻抗，说明连续导电网络能够有效改善界面电荷转移动力学。更重要的是，3D 打印使电极负载量可以通过打印层数进行直接调控。随着打印层数增加单位面积负载量随之提高，同时仍保持较好的电化学可逆性。这一结果说明，增加电极厚度并不必然意味着严重的传输损失。通过合理设计三维孔道和内部导电网络，可以在提高活性物质负载量的同时维持有效的离子和电子输运。

五、构筑全3D 打印LCO//LTO 全电池

图5. 3D 打印LCO//LTO 全电池的工作原理、电化学性能及器件供电展示

在单电极性能基础上，研究团队进一步分别打印LCO 正极和LTO 负极，并组装得到3D 打印LCO//LTO 全电池。当倍率恢复至0.1 C 后，容量能够基本恢复，显示出良好的结构稳定性和倍率可逆性。尤其值得注意的是，该全电池在3000次循环后仍保持97.1%的容量，表现出优异的长循环稳定性。研究团队进一步使用打印全电池驱动数字秒表，实现即时启动并持续稳定运行，验证了该体系从电极结构设计向实际器件供能转化的可行性。

六、为什么3D 打印厚电极具有更好的传输动力学？

图6. 传统浆料涂覆厚电极与3D 打印高负载电极的离子–电子传输机制对比

为了进一步揭示性能提升机制，研究比较了传统浆料涂覆厚电极与3D 打印高负载电极的传输行为。传统致密厚电极内部缺少规则、连续的贯穿孔道，随着厚度增加，电解液渗透和Li⁺ 扩散受到限制，同时离子输运曲折度增加。相比之下，3D 打印结构通过规则的开放晶格建立贯穿电极的离子传输通道，并利用rGO-CNTs 构筑连续电子网络，从而同时缩短离子扩散路径和电子传输路径。因此，本工作的关键并非简单地将传统电极“打印成立体结构”，而是利用增材制造实现电极宏观结构与微纳导电网络的跨尺度协同设计，从而解决高负载电极中的离子–电子传输限制。

• 研究总结

本研究提出了一种面向高性能3D 打印全电池的多尺度离子–电子协同传输设计策略。通过将DIW 构筑的分级多孔晶格与rGO-CNTs 连续导电网络相结合，实现了从宏观电极结构到微纳导电网络的跨尺度调控。其中，3D 打印开放孔道改善电解液浸润并缩短离子扩散距离，rGO 片层和CNTs 协同建立连续电子传输网络，使电极在提高厚度和活性物质负载量的同时仍能够维持有效的电荷传输。最终构筑的3D 打印LCO//LTO 全电池在3000次循环后保持97.1%的容量，同时成功驱动数字秒表。该研究建立了连接油墨流变特性、3D 打印结构、多尺度传输网络和器件性能的设计框架，为高负载、结构可定制及按需制造的下一代3D 打印储能器件提供了新的设计思路。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3575808

• Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2025 Impact Factor：4.8 (JCR Q2*)

2025 CiteScore：10.3 (Scopus Q1*)

Time to First Decision：12.5 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

* JCR Q2 at "Physics, Applied", "Chemistry, Multidisciplinary", "Materials Science, Multidisciplinary" and "Nanoscience and Nanotechnology" categories

* Scopus Q1 at "General Chemical Engineering" and "General Materials Science" categories

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

支持单位：