3D打印|智能能量砖：通过 3D 打印在砖内进行 Ti3C2@聚合物电化学储能( 四 ) 电化学|石墨烯|机械

此外，我们使用3D打印技术（即3D笔）设计了一个3D矩形SC（3Drc Ti3C2@PPy SC）设备，并将其集成到砖中以在房屋墙壁中储存能量。我们的想法是创建一个智能家居储能系统，让我们可以将电力储存在墙上并稍后使用。例如，您可以将太阳能电池板在白天产生的电力储存起来并在晚上使用。我们还可以通过并网系统传输未使用的储存电力。作为储能砖的概念证明， 3Drc Ti3C2@PPy SC使用F108水凝胶制造，用作电解质和隔膜（图5a和图S4f的插图，支持信息）并安装到砖中。在评估3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖的电化学性能之前，重要的是研究3Drc Ti3C2@PPy SC的机械性能。为了证明3Drc Ti3C2@PPy SC在实际应用中的机械强度，记录了SC在其原始和压力状态下的GCD曲线。施加的压力是3Drc Ti3C2@PPy SC重量的500倍以上（插图S6a ，支持信息）。如图S6a（支持信息）所示， GCD曲线仅存在轻微偏差，表明其在机械压力下具有显着的稳定性。另一项机械性能是冲击强度，通过将3Drc Ti3C2@PPy SC从不同米的高度掉落并观察电化学性能进行研究（插图S6b ，支持信息）。 3Drc Ti3C2@PPy SC表现出出色的机械冲击强度，长距离跌落后Csp仅损失6%（图S6b ，支持信息）。这些结果表明3Drc Ti3C2@PPy SC具有良好的机械性能，是砖集成的潜在候选者。图5描绘了3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖的电化学性能。可以看出，即使在非常高的扫描速率下， CV曲线也具有矩形形状，这表明在3Drc Ti3C2@PPy电极中已经开发出有效的双层电容（图5a）。图S5c（支持信息）显示了在0.5至2 A g-1范围内的不同电流密度速率下的GCD曲线。 GCD曲线的三角形是典型的电容和可逆电容行为。在0.5 A g-1的扫描速率下，记录到46.2 F g-1的高Csp 。
图5

储能砖的电化学性能和应用：a）三维矩形（3Drc）Ti3C2@PPy超级电容器（SC）集成砖在不同扫描速率下的循环伏安（CV）图。 bc)三个串联和并联配置的3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖的CV和恒电流充放电(GCD)图。 d)五个串联的3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖的自放电率。 e) 3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖可用作交通灯或电梯停电时的备用电源。
尽管3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖具有优异的电化学和机械性能，但可能适用于现实世界的实际应用。为了达到所需的Csp或能量和功率密度， 3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖可以根据应用并联或串联连接。图5b显示了串联和并联配置的三个智能砖SC设备的CV曲线。通过串联连接三个砖型SC ，单个砖型SC的电压窗口可以从0.8 V扩展到串联设备的2.4 V 。虽然通过简单地并联三个砖SC ，单砖SC输出电流密度提高了三倍（例如， Csp值几乎是单个砖SC的三倍）。如图5c中的GCD曲线所示，通过串联连接三个砖SC ，可以将单个砖SC的工作电压窗口从0.8 V增加到2.4 V ，展示了更好的电容特性和低内阻。作为演示，这种制造的串联砖SC可以以1.5 V的最小工作电压为交通标志（红色、绿色和黄色LED）供电长达180秒（图5e、图S5d和电影S1 ，支持信息）。此外，通过电缆连接的光伏电池板可以为砖块SC充电，为应急照明（例如，手电筒和吸顶灯）和其他用途提供内部备用电源。

【3D打印|智能能量砖：通过 3D 打印在砖内进行 Ti3C2@聚合物电化学储能】我们在这个模型上展示了这种3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖作为电梯紧急情况（例如在运行电源故障期间）的备用电源的应用。为了提供用于运行电梯电机的特定功率和能量(≈3.5 V) ，多个储能砖以串联配置连接。为了最大化电压窗口，五个串联的3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖达到4.0 V 。图5d描绘了五个串联连接的3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖在充满电（向上）后的自放电曲线至4.0 V) ，电流密度为3.0 A g-1 。在前150秒内， 3Drc Ti3C2@PPy SC集成砖的自放电曲线下降至3.70 V ，然后在接下来的600秒内保持3.55 V 。这些自放电特性证明了使用这种串联砖SC作为电源来操作电梯的能力。此外，如图5e、图S5f和电影S2（支持信息）所示，串联多个砖块SC的设备可以驱动电梯。如果电梯主电源出现故障，那么它可以利用存储在砖SC中的能量来停在最近的楼层。据作者所知，这是第一个使用基于Ti3C2@PPy的3D打印电极的操作砖SC演示设备。