加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一个研究团队利用增材制造技术，制造出一种3D打印的碳电极，使锌离子混合电池的电荷容量比同类型现有器件提升了七倍以上。该工作发表于期刊《Small》，还引入了一种3D打印测试池，旨在提高储能研究中性能测量的一致性。

该团队开发的电池是一种混合装置：一个端子功能类似传统锂离子电池的储电组件，另一个则使用类似于超级电容中的碳电极——超级电容是一种放电和充电速度极快、预期可运行数十年的储能装置。超级电容的主要局限是能量只能储存在电极表面，制约了整体容量。

为尝试突破这一限制，UCLA团队采用紫外激光树脂打印工艺，构建了一种具有蜂窝或海绵状内部结构、布满数十亿个微孔的碳电极。打印后，电极经过加热和气化处理，仅留下带有开孔的导电碳，然后通过化学过程载入氧化钒。最终获得的表面积如此之广，一克材料若摊平，将覆盖大约十个网球场。

“我们使用的方法使我们能够逐层构建任何三维支架，并控制其微观结构，”共同通讯作者、UCLA化学与生物化学及材料科学与工程杰出教授Ric Kaner说，“我们实际上可以拥有数十亿个微小孔洞，产生巨大的内部表面积。这意味着我们可以储存大量电荷。”

除能量密度提升外，该器件在1500次充放电循环后仍保持82%的容量。团队还论证了锌作为比锂更具可持续性的电池化学材料，指出锌的储量约是锂的100倍，且相对更容易开采和回收。

“能源存储的未来不会由单一技术定义，”共同通讯作者、UCLA学院化学与生物化学系助理研究员Maher El-Kady说，“在某个时候，我们需要寻找能够补充当前电网级储能选项的方案。我们在这项研究中取得的成果，本质上让我们拥有了能量容量几乎高出一个数量级的锌离子混合装置。”

该研究还引入了一种3D打印测试池，旨在改进储能实验室中普遍使用的敞口烧杯设置。标准商用玻璃测试池的成本在1000美元或以上，导致大多数研究团队依赖烧杯——这种设置会导致电解液蒸发，并因电极定位不一致引入变异，两者均影响测量精度。UCLA团队的打印测试池具有密封盖和固定电极槽。在测试中，标准化碳电极在打印池中循环1500次后仍保持98%的电荷，而在传统敞口池设置中则不到100次即失效。

“这是一个我们希望能对该领域其他研究人员有用的概念，帮助他们在其器件上获得更一致的测量和可靠数据，”第一作者、近期在UCLA完成博士学位的Sophia Uemura博士说，“3D打印最令人兴奋的一点是它已经变得非常触手可及。在这种情况下，任何能使用3D打印机的人都可以制作像我们这样的测试池，并将其改造用于自己的工作。”

该研究是与台湾清华大学的科学家合作完成的。