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山东领瓷展览有限公司
微超级电容器（MSCs）因其快速充放电能力和微型化尺寸成为新兴微电源。通过三维（3D）结构设计开发和活性材料电极配置，MSC性能取得显著提升。尽管增加质量负载可提高电容，但厚电极中缓慢的离子传输和低电导率限制了性能提升。本研究提出一种激光增材/减材制造路径，通过制造具有微通道的导电3D异质MSC结构来解决这些限制。通过激光定向能量沉积（LDED）制造的高纵横比微柱支架作为支撑集流体结构用于锚定活性炭（AC）。通过激光蚀刻制备3D微通道，形成具有不同尺寸的独特3D微沟-平台结构。激光结构化电极增强电解质可及性并缩短电子迁移路径。此外，在AC上沉积聚苯胺（PANI）以实现显著赝电容性能。所得MSC在面积电容、能量密度和功率密度方面表现出优异电化学性能，凸显激光增材-减材微加工制备高性能3D MSC的潜力。
创新方法解决的科学问题
本文创新性地采用激光增材-减材复合工艺，通过LDED构建3D金属集流体框架，结合激光蚀刻技术形成微通道结构，成功制备了负载活性炭（AC）和聚苯胺（PANI）的异质电极。该方法解决了厚电极中离子传输缓慢、电导率低的关键瓶颈，实现了34mg cm⁻²的高质量负载和9.68F cm⁻²的创纪录面积电容，为微型储能器件提供了新范式。
3D MSC制造工艺示意图：激光增材微加工（LDED）制备微柱阵列；滴铸AC浆料；激光减材微加工（铣削/蚀刻）；电沉积PANI。
(a) 3D集流体框架在10欧分硬币上的照片；(b) 微柱阵列俯视FE-SEM图像；(c) 微柱阵列侧视FE-SEM图像（插图：微柱高分辨率图像）；(d) 微柱与头发直径对比；(e) 微柱横截面光学显微镜图像及EDS元素分布；(f) 微柱高分辨率FE-SEM横截面图像。
AC包覆电极的FE-SEM图像：(a-c) 未蚀刻3DP-AC的俯视、上部和整体侧视图；(d-f) 3DP-AC-230的俯视、上部和整体侧视图；(g-i) 3DP-AC-190的俯视、上部和整体侧视图。
3DP-PAC-230的FE-SEM图像：(a-c) 俯视图；(d-g) 上部侧视图；(h-k) 底部侧视图。
AC和PAC材料表征：(a) AC和PAC的XPS宽扫描谱；(b) AC和PAC的HR-XPS C1s（上）和N1s（下）谱；(c) AC和PAC的宽范围FTIR谱；(d) 500-1800 cm⁻¹高分辨率FTIR谱；(e) 3DP-PAC电极的EDS元素分布。
三电极体系电化学性能：(a) 不同结构3DP-AC在50mV/s的CV曲线；(b) 不同电流密度下面积电容；(c) EIS谱（插图：高频区）；(d) 3DP-AC-230的CV曲线；(e) GCD曲线；(f-i) 3DP-PAC-230的CV、GCD、电容-电流密度图和EIS谱；(j) 1/q与v¹/²图（上）和q与v¹/²图（下）；(k) 扩散控制与EDL电容贡献；(l) 循环稳定性；(m) 性能雷达图。
3DP-PAC-230 MSC电化学性能：(a) 不同扫描速率CV曲线；(b) 不同电流密度GCD曲线；(c) EIS谱（插图：高频区）；(d) 面积电容-电流密度图（插图：封装器件照片）；(e) 库仑效率与电容保持率；(f) Ragone图；(g-h) 串联器件的CV和GCD曲线；(i) 计时器驱动演示。
本研究开发了一种基于激光增材-减材微加工的方法制备高性能异质3D MSC电极。通过LDED构建3D金属集流体框架，结合激光铣削/蚀刻技术对电极材料进行3D结构化。活性炭（AC）通过滴铸法负载于3D支架，经激光铣削修整后通过激光蚀刻在厚电极中创建微通道。该设计使AC质量负载达34mg cm⁻²，并在PANI修饰后实现9.68F cm⁻²的面积电容（1mA cm⁻²）。3DP-PAC MSC展现出204.9μWh cm⁻²的面积能量密度和0.397mW cm⁻²的功率密度，循环2000次后电容保持率55.1%（20mA cm⁻²）。尽管PANI的循环稳定性存在局限，但该方法通过机械锚固（微柱阵列）和微通道设计，解决了厚电极的离子传输瓶颈，为高能量密度微型储能器件提供了新思路。
文献链接
Do, H. M., Ryu, C., & In, J. B. (2025). Laser additive-subtractive microfabrication of three-dimensional microsupercapacitor electrodes. Chemical Engineering Journal, Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163400