随着全球气候变化的不断影响，能源低碳化已成为世界各国的基本共识。当前，开发并利用可再生能源是人类公认的推动能源转型的有效途径。在全球范围内，以风电、光伏发电为代表的可再生能源发电量占比逐年攀升，但这些发电形式存在周期性、间歇性等问题，给电力系统带来了前所未有的挑战。基于此，科研和产业人员提出以储能技术配合可再生能源发电的协同利用机制。储能技术通过能量存储并按需求释放的方式，解决了能源生产与消费在时间和空间上的不匹配问题，提高了能源的利用效率，充分保障了电力系统的稳定运行，促进了可再生能源的大规模应用，已成为现代能源体系的核心支撑技术。在诸多的储能技术中，电化学储能具有分散灵活、响应速度快、能量密度高等显著优势，在提高可再生能源的利用效率方面展现出非凡的活力，已被广泛应用于家庭储能、交通工具及电网调峰等领域。其中，以电池和超级电容器为代表的电化学储能器件在该领域中的应用最为突出。但现阶段，电化学储能器件多以传统制造工艺为主，在能量密度提升、结构创新和一体化制造等方面面临诸多技术瓶颈。如何寻找一种精确可控且低成本的方法来制造储能器件以提高器件性能，是当前研究者们面临的一个重大挑战。3D打印技术凭借其精确的设计和制造优势，从微观到宏观尺度为构建电化学储能器件开辟了一条新颖的制造之路，为电化学储能器件的设计、材料组合和性能优化提供了革命性的解决方案。本书内容主要聚焦于3D打印技术在微型超级电容器材料开发与器件制造中的相关研究和应用。本书将新型导电材料铜硫酸盐(KCu7S4)与不同导电材料进行复合，并结合3D打印技术逐步构建了三维网络构型的微型超级电容器复合电极和器件。不仅对制备方法、测试手段、性能分析以及导电机理等关键技术进行了介绍，而且对其应用前景进行了系统分析和展望。本书在当前3D打印技术和储能器件应用蓬勃发展的时代背景下可为新能源和3D打印领域的科研工作者、相关产业技术人员，以及高等学校材料工程、智能制造及相关专业师生提供专业的技术参考。本书共8章，第1章主要对电化学储能进行概述，包括电化学储能器件的分类和工作原理、现在面临的问题，以及如何对其进行性能优化；第2章主要介绍3D打印技术在电化学储能器件制造领域的应用，包括电化学储能器件相关的3D打印技术分类、3D打印技术在电化学储能器件领域的优势与特点、电化学储能器件的3D打印材料，以及3D打印技术在电化学储能器件制造领域应用所面临的机遇与挑战；第3章系统概括第4～7章中相关的3D打印KCu7S4复合电极的表征分析与性能测试方法，主要包括原料和仪器、电极材料制备、油墨配制方法、电极打印步骤，以及材料表征分析与性能测试（流变性能、电化学性能）等；第4章主要介绍3D打印rGO/KCu7S4复合电极的结构、电极和器件的电化学性能以及应用领域；第5章主要介绍3D打印Ag/rGO/KCu7S4复合电极的结构、电极和器件的电化学性能以及应用领域；第6章主要介绍3D打印MWCNTs/rGO/KCu7S4复合电极的结构、电极和器件的电化学性能以及应用领域；第7章主要介绍3D打印rGO/CNFs@Ni(OH)2//rGO/KCu7S4非对称混合微型超级电容器的结构、电化学性能以及应用领域；第8章对3D打印电化学储能器件的性能与应用进行总结，并对其未来发展趋势进行综合分析，为未来研究提供参考方向。本书由太原工业学院赵彦亮副教授撰写，在撰写过程中太原科技大学白培康教授给出了诸多宝贵的意见和建议，在此深表感谢！本书的撰写和出版得到了太原工业学院引进人才科研资助项目（2023KJ045）的资助，在此表示感谢。在撰写本书的过程中，虽著者竭尽全力参考国内外相关的文献资料，力求准确有效，但限于撰写水平及撰写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出宝贵的修改意见。

著者2025年5月

本书以3D打印铜硫酸盐复合电极的制备、性能和应用为主线，基于对电化学储能相关知识的概述，重点介绍了3D打印技术在电化学储能器件制造领域的应用，以新型铜硫酸盐(KCu7S4)材料为基础，围绕氧化石墨烯 (GO)和不同导电材料进行复合，系统介绍了采用3D打印技术所构建的各种微型超级电容器的复合电极和器件，并对不同复合电极的微观结构形貌、物相组成对电极润湿性能和电化学性能的影响进行了阐述；从组分配比、打印层数和结构形貌方面对复合电极或器件的电化学性能进行了较为全面的介绍；最后对3D打印电化学储能器件的应用前景和发展趋势等进行了展望。本书紧贴3D打印技术和储能器件两个交叉学科领域，具有较强的前沿性、专业性与参考价值，可供新能源材料和3D打印领域的科研人员、相关产业技术人员参考，也可供高等学校材料工程、智能制造及相关专业师生参阅。

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第1章 电化学储能概述 0011.1 电化学储能概念 0041.2 电化学储能器件概述 0041.2.1 电化学储能器件常见分类 0051.2.2 电化学储能器件所面临的问题 0071.3 电化学储能器件的性能优化 008参考文献 010

第2章 3D 打印技术在电化学储能器件制造领域的应用 0112.1 3D 打印技术概述 0122.2 3D 打印电化学储能器件概述 0132.2.1 主要3D 打印技术类型 0132.2.2 3D 打印的优势与特点 0222.2.3 常见3D 打印器件结构 0242.3 3D 打印电化学储能器件的常用材料 0292.3.1 电池常用材料 0292.3.2 超级电容器常用材料 0342.4 3D 打印技术应用的机遇与挑战 045参考文献 046

第3章 3D 打印KCu7S4 复合电极及其表征与性能测试 0553.1 3D 打印KCu7S4 复合电极 0563.1.1 原料与仪器 0563.1.2 电极材料的制备 0583.1.3 3D 打印铜硫酸盐KCu7 S4 复合电极的主要步骤 0623.2 复合电极的表征分析 0653.2.1 X 射线衍射表征分析 0653.2.2 拉曼光谱表征分析 0653.2.3 X 射线光电子能谱表征分析 0653.2.4 扫描电子显微镜表征分析 0663.2.5 透射电子显微镜表征分析 0663.2.6 傅里叶变换红外光谱表征分析 0663.2.7 紫外_可见光吸收光谱表征分析 0663.2.8 热重表征分析 0663.3 油墨及复合电极性能测试 0673.3.1 电解液与凝胶电解质的制备方法 0673.3.2 油墨流变性能测试 0673.3.3 复合电极性能测试 068参考文献 070

第4章 3D 打印rGO/KCu7S4 复合电极的结构、性能与应用 0714.1 油墨组分材料形貌结构表征 0724.1.1 GO 形貌结构表征 0724.1.2 KCu7 S4 形貌结构表征 0724.2 GO/KCu7S4 油墨的流变性能 0754.2.1 油墨组分的Zeta 电位 0754.2.2 油墨配比对流变性能的影响 0764.3 3D 打印rGO/KCu7 S4 复合电极的结构及其对润湿性能的影响 0824.3.1 形貌结构表征 0824.3.2 物相分析 0864.3.3 结构对润湿性能的影响 0904.4 3D 打印rGO/KCu7S4 复合电极的电化学性能 0914.4.1 循环伏安特性 0924.4.2 充放电性能 0944.4.3 交流阻抗特性 0974.4.4 循环稳定性 0994.4.5 导电机理 1014.5 微型对称超级电容器的电化学性能 1024.6 rGO/KCu7S4 微型超级电容器的应用 105参考文献 106

第5章 3D 打印Ag/rGO/KCu7S4 复合电极的结构、性能与应用 1095.1 纳米Ag 颗粒结构表征 1105.2 Ag/GO/KCu7S4 复合油墨的流变性能 1115.2.1 油墨组分的Zeta 电位 1115.2.2 油墨配比对流变性能的影响 1125.3 3D 打印Ag/rGO/KCu7 S4 复合电极的结构及其对润湿性能的影响 1155.3.1 形貌结构表征 1155.3.2 物相分析 1205.3.3 结构对润湿性能的影响 1225.4 3D 打印Ag/rGO/KCu7S4 复合电极的电化学性能 1265.4.1 循环伏安特性 1265.4.2 充放电性能 1295.4.3 交流阻抗特性 1325.4.4 循环稳定性 1345.4.5 导电机理 1345.5 微型对称超级电容器的电化学性能 1365.6 Ag/rGO/KCu7S4 微型超级电容器的应用 139参考文献 141

第6章 3D 打印MWCNTs/rGO/KCu7S4 复合电极的结构、性能与应用 1436.1 羧基化多壁碳纳米管结构表征 1446.2 MWCNTs/GO/KCu7S4 油墨的流变性能 1466.2.1 油墨组分的Zeta 电位 1466.2.2 油墨配比对流变性能的影响 1476.3 3D 打印MWCNTs/rGO/KCu7 S4 复合电极的结构及其对润湿性能的影响 1506.3.1 形貌结构表征 1506.3.2 物相分析 1546.3.3 结构对润湿性能的影响 1576.4 3D 打印MWCNTs/rGO/KCu7 S4 复合电极的电化学性能 1596.4.1 循环伏安特性 1606.4.2 充放电性能 1626.4.3 交流阻抗特性 1666.4.4 循环稳定性 1676.4.5 导电机理 1686.5 微型对称超级电容器的电化学性能 1706.6 MWCNTs/rGO/KCu7S4 微型超级电容器的应用 173参考文献 175

第7章 3D 打印rGO/CNFs@Ni(OH) 2 //rGO/KCu7 S4 非对称混合微型超级电容器的结构、性能与应用 1777.1 GO/CNFs 油墨的流变性能 1787.2 3D 打印rGO/CNFs@Ni(OH) 2 复合电极的结构及其对润湿性能的影响 1817.2.1 形貌结构表征 1817.2.2 物相分析 1877.2.3 结构对润湿性能的影响 1937.3 rGO/CNFs@Ni(OH) 2 复合电极的电化学性能 1957.4 非对称混合微型超级电容器的电化学性能 2007.5 非对称混合微型超级电容器的应用 204参考文献 206

第8章 总结与展望 2098.1 3D 打印电化学储能器件的性能与应用总结 2108.2 3D 打印电化学储能器件的优化方向 2128.3 3D 打印电化学储能器件的未来发展趋势 213

附录　主要名称术语 218