这款多功能、可变形的3D打印超级电容器系统由热塑性聚氨酯/聚吡咯/NiO@MnO2材料制成

《Journal of Endodontics》：Versatile form-transformable 3D-printed supercapacitors system engineered from thermoplastic polyurethane/Polypyrrole/NiO@MnO 2

3D打印TPU基复合材料超级电容器电极在拉伸应变高达175%时仍保持优异电容性能和循环稳定性，其中50%填充密度结构电容达173.5 mF/cm2，经6000次循环后保持98%效率。采用梯度密度多孔结构设计，结合PPy/MnO?异质复合材料，实现机械柔韧性与高导电性的协同优化。

　　随着可穿戴设备和柔性电子技术的快速发展，对高性能、高耐用性的能量存储设备的需求也日益增加。3D结构的能量存储设备，如超级电容器（SCs）和高延展性3D电极设备，因其独特的机械性能和储能特性，展现出在智能能源供应系统中的巨大潜力。然而，现有的柔性设备在实际应用中仍面临诸多挑战，如机械强度不足、延展性受限、电子迁移速率较慢、活性材料负载效率低以及整体性能表现不理想。因此，研究者们致力于开发新的材料结构和制造工艺，以克服这些限制并提升设备的综合性能。

本文提出了一种基于3D热塑性聚氨酯（TPU）的超级电容器电极设计，其结构由TPU作为基体，填充有聚吡咯（PPy）和NiO@MnO?混合金属氧化物。这种复合电极不仅能够承受较高的机械应力，还表现出良好的电化学性能，即使在较大的机械拉伸下仍能保持较高的电容值。此外，通过调整TPU填充密度（30%、50%、70%），研究人员能够优化电极的结构性能，使其在能量存储方面更加高效。50%填充密度的电极在6000次循环后仍能保持98%的循环稳定性，并且在125%的机械拉伸下，电容值依然维持在181.9 mF/cm2，显示出其出色的机械适应性和电化学稳定性。

在制造工艺方面，3D打印技术被用于构建高精度的电极结构，通过精确的材料沉积和结构设计，使得电极在复杂的三维空间中也能保持良好的性能。这种技术的优势在于能够实现对电极结构的精确控制，包括材料的分布、孔隙率和密度梯度。通过这种方式，研究人员可以创建具有优异电化学性能的电极，同时兼顾其机械性能。此外，TPU作为一种具有高延展性和良好机械性能的材料，已被广泛应用于柔性电极的制造。其独特的物理化学特性使其能够承受较大的形变，同时保持结构的完整性。

为了进一步提升电极的性能，研究者们引入了PPy作为导电材料，并结合NiO@MnO?混合金属氧化物。PPy因其高导电性、良好的环境稳定性和易于合成的特性，成为构建超级电容器电极的理想选择。然而，PPy在实际应用中也存在一定的局限性，如导电性不足、在循环过程中容易发生结构变化以及电容值较低。因此，研究者们尝试通过与其他金属氧化物的组合来提升其性能，如将PPy与NiO@MnO?混合使用，以获得更优的电化学特性。此外，TPU作为基体材料，其填充密度和氧化剂浓度对电极的性能有重要影响。通过调整这些参数，研究人员能够优化电极的结构和电化学性能，使其在实际应用中更加稳定和高效。

在实际应用中，柔性超级电容器仍然面临一些关键问题。例如，3D打印电极与现有的电池管理系统兼容性较差，导致其在实际使用中难以达到预期的性能。此外，电极的制造过程需要高度精确的控制，以确保其在不同批次之间的性能一致性。目前，不同批次的电极性能差异可达25%以上，这使得大规模生产中的质量控制成为一项挑战。同时，寻找适合食品或人体皮肤直接接触的导电材料也是当前研究的一个难点，这限制了柔性电容器在可穿戴设备中的应用。

为了解决这些问题，本文提出了一种新的材料设计方法，即通过3D打印技术构建TPU结构，并结合PPy和NiO@MnO?混合金属氧化物。这种方法不仅能够提高电极的机械性能，还能增强其电化学特性。通过实验测试，研究人员发现，当电极被拉伸至175%应变、弯曲成直角或多次扭转时，其性能依然保持稳定，显示出良好的适应性。这种材料设计方法为未来的柔性超级电容器开发提供了一个清晰的路径，结合了材料科学、设计和制造技术的优势，使得设备在实际应用中更加可靠和高效。

此外，本文还探讨了3D打印技术在柔性电容器制造中的潜力。通过精确的材料沉积和结构设计，研究人员能够创建具有优异性能的电极，并在不同的应用场景中进行测试。例如，使用TPU作为基体材料，结合PPy和NiO@MnO?混合金属氧化物，能够显著提升电极的导电性和储能能力。同时，通过调整填充密度和氧化剂浓度，研究人员能够优化电极的结构性能，使其在复杂的三维空间中也能保持良好的表现。

在实验测试中，研究人员发现，50%填充密度的电极在6000次循环后仍能保持98%的循环稳定性，并且在125%的机械拉伸下，电容值依然维持在181.9 mF/cm2。这表明，这种材料设计方法在提高电极的机械适应性和电化学性能方面具有显著优势。同时，通过3D打印技术构建的电极结构能够承受较高的机械应力，显示出其良好的机械强度和延展性。

综上所述，本文通过结合3D打印技术和新型材料设计，提出了一种具有优异机械性能和电化学特性的超级电容器电极结构。这种结构不仅能够承受较高的机械应力，还能在不同的应用场景中保持良好的性能。通过实验测试和优化，研究人员能够提升电极的导电性和储能能力，使其在实际应用中更加可靠和高效。这种方法为未来的柔性超级电容器开发提供了一个清晰的路径，结合了材料科学、设计和制造技术的优势，使得设备在实际应用中更加适用和实用。