Flexible 3D electrodes are showing promise in the arena of energy packing systems since they combine the best features of supercapacitors (SCs) and batteries. But its limited potential is a result of flexibility, slow electron transfer, mass loading, and insufficient energy density. To effectively address these concerns, a three-dimensional thermoplastic polyurethane (3D TPU) embedded–polypyrrole (PPy)-CuO/MnO₂ hybrid SC electrode (3D TPU-PPy-CuO/MnO₂) is proposed for 3D SCs. The TPU-PPy-CuO/MnO₂ electrode has a remarkable cyclic stability of 98.8% even after 10000 cycles, allowing it to reach the capacitance performance of 88 mFcm^-2. The 3D electrode’s outstanding electrochemical property may be traced back to its peculiar composite morphology, which plays a critical role in enabling high conductivity, rapid electron transfer, short ion diffusion distance, and superior active sites for improved electrochemical performance. These findings highlight a simple and effective method for structurally engineering the active SC electrode material, which should speed up the creation of more sustainable and scalable 3D hybrid energy systems.

유연한 3D 전극은 슈퍼커패시터와 배터리에 우수한 특성을 보이며 에너지 충전 시스템 분야에서 유망한 기술로 주목받고 있다. 그러나 유연성으로 인한 느린 전자 이동속도, 질량 증가, 그리고 낮은 에너지 밀도가 단점으로 꼽힌다. 이러한 우려를 효과적으로 해결하기 위해, 3D 열가소성 폴리우레탄(3D TPU)-폴리피롤(PPy)-CuO/MnO₂ 하이브리드 슈퍼커패시터 전극(3D TPU-PPy-CuO/MnO₂)을 제조하였다. TPU-PPy-CuO/MnO₂ 전극은 약 10000 회의 주기 동안 98.8%의 주기 안정성을 유지하며 88 mFcm^-2의 용량 성능을 보였다. 이 3D 전극의 우수한 전기화학적 특성은 특별한 복합 형태에서 기인하는데, 이는 높은 전도성, 빠른 전자 이동, 짧은 이온 확산 거리, 그리고 향상된 전기화학적 성능을 가능하게한다. 이러한 결과는 슈퍼커패시터 전극 소재의 구조적 엔지니어링에 대한 간단하고 효과적인 방법을 강조하며, 보다 지속 가능하고 확장 가능한 3D 하이브리드 에너지 시스템의 창조를 가속화할 것으로 기대된다.

Keywords: 3D printing, thermoplastic polyurethane, polypyrrole, flexible electrodes, 3D supercapacitors, vapor phase polymerization, polymer metal-oxides matrix.