3D打印壓縮電池?cái)D提高性能

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

導(dǎo)讀：具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能的可壓縮電池的設(shè)計(jì)在耐壓縮和柔性電子中極為重要。盡管這對于當(dāng)前的電池制造方法仍然具有挑戰(zhàn)性，但是3D打印領(lǐng)域提供了生產(chǎn)具有各種結(jié)構(gòu)配置的獨(dú)立式3D打印電極的可能性。可以制造出具有任意形狀，層數(shù)和圖案的電池電極。

圖形摘要

隨著對更加輕便、緊湊和可自我調(diào)節(jié)的可穿戴電子設(shè)備的需求日益增長，靈活、可拉伸/可壓縮和耐用的能量存儲(chǔ)設(shè)備的可行性對于現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用至關(guān)重要。在各種儲(chǔ)能裝置中，以高功率密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和在各種環(huán)境或機(jī)械變形下的良好安全性為特征的準(zhǔn)固態(tài)水性可充電電池正成為最引人注目的候選電池之一。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了各種類型的準(zhǔn)固態(tài)水性可充電電池，包括含水堿金屬離子(Li+, Na+ and K+)，多價(jià)金屬離子 (Al3+, Zn2+, and Mg2+)和鎳基 （鎳鋅，鎳鋅和鎳鐵）電池。尤其是，準(zhǔn)固態(tài)鎳鐵(Ni–Fe)水性電池因其低成本效益，出色的循環(huán)性能，出色的過充/過放電，深循環(huán)耐受性能以及良好的機(jī)械穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注，在大中型儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，但鎳-鐵可充電電池卻被其他電池所取代，這主要是由于它們具有較高的自放電率和較低的功率/能量密度。為了解決這些問題，將3D混合碳基復(fù)合膜或3D自支撐納米結(jié)構(gòu)陣列直接用作電極的活性材料，從而顯著提高了鎳鐵電池的能量密度和倍率性能。為了解決這些問題，將3D混合碳基復(fù)合膜或3D自支撐納米結(jié)構(gòu)陣列直接用作電極的活性材料，從而顯著提高了鎳鐵電池的能量密度和倍率性能。然而，它們的實(shí)際應(yīng)用仍然受到其低活性材料利用率或兩個(gè)電極的質(zhì)量負(fù)載的限制。此外，很少有人關(guān)注使可壓縮電極能夠在不同壓縮條件下保持優(yōu)異性能的問題，這是研究可壓縮Ni-Fe電池的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計(jì)具有3D自支撐，高質(zhì)量負(fù)載，有序多孔結(jié)構(gòu)和良好的機(jī)械性能的陽極/陰極電極仍然是巨大的挑戰(zhàn)，最終有利于開發(fā)高能量密度，高穩(wěn)定性和理想的可壓縮Ni-Fe電池。

近來，基于擠壓的3D打印技術(shù)以高度可調(diào)和可擴(kuò)展的方式用于創(chuàng)建各種復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，這已在各種定制電子設(shè)備中得到了探索。3D打印的主要優(yōu)點(diǎn)是提供了一種直接書寫方法來生成具有可控接觸表面積的各種多孔結(jié)構(gòu)。3D打印的主要優(yōu)點(diǎn)是提供一種直接寫入方法，以生成具有可控接觸表面積的各種多孔結(jié)構(gòu)。然而，3D打印油墨在壓縮和剪切下需要更好的粘度和較高的屈服應(yīng)力，而這需要對流變特性進(jìn)行良好的控制。氧化石墨烯Graphene oxide(GO)具有豐富的兩親性、穩(wěn)定的分散性和可調(diào)的流變性能，通常被用來制備各種水性復(fù)合油墨。

然而，開發(fā)3D可打印的氧化石墨烯墨水是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)氧化石墨烯基氣凝膠來自氧化石墨烯懸浮液的稀釋前體 (<5 mg mL–1) 具有低且不可打印的粘度(η)。對于不同的印刷目的，通過改變氧化石墨烯基油墨和添加劑（例如Ca2+，碳納米管(CNTs)和纖維素納米纖維）的濃度和比例（例如良好的可成型性、高孔隙率、優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性）來控制所需的油墨流變性能。迄今為止，已經(jīng)成功設(shè)計(jì)和構(gòu)建了多種基于rGO的電極架構(gòu)，例如網(wǎng)格，叉指和微晶格結(jié)構(gòu)。這些3D打印的rGO基結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性、超輕重量和高壓縮性，是儲(chǔ)能應(yīng)用的良好候選材料。遺憾的是，對于裸露的3D打印碳電極，比容量通常相對較低，并且通常通過折衷面積和體積容量來獲得高比容量。為解決這些問題，已將各種具有高比容量和大表面積的活性材料摻入印刷油墨配方中，顯示出電化學(xué)性能的明顯改善。然而，在更大規(guī)模的生產(chǎn)過程和隨后的電化學(xué)應(yīng)用中，保持油墨的流變性能仍然存在挑戰(zhàn)。

在該研究中，研究人員通過逐層堆疊3D打印方法制造3D打印的準(zhǔn)固態(tài)鎳鐵電池（QSS-NFB）設(shè)備。高導(dǎo)電性和相互連接的1D 碳納米管(CNTs)和2D rGO納米片墨水用于打印具有可調(diào)厚度的自支撐周期性rGO / CNT混合氣凝膠微晶格。該裝置的電極由超薄的Ni(OH)2納米片和多孔α-Fe2O3 納米碳結(jié)構(gòu)組成，其可以用超過130 mg cm–3 的超高活性材料負(fù)載來實(shí)現(xiàn)高達(dá)60%的優(yōu)異壓縮性。在PVA / KOH凝膠電解質(zhì)中的QSS-NFB設(shè)備中，可以實(shí)現(xiàn)28.1mWh cm–3的超高體積能量、10.6mW cm–3功率密度，即使在嚴(yán)重的機(jī)械應(yīng)力下，該電解質(zhì)也可循環(huán)1500次以上的穩(wěn)定性能。

3D打印的鎳鐵電池的制造程序和示意圖。

（a）制作3D打印的rGO/CNTs@Ni(OH)2 陰極和3D打印的rGO/CNTs@α-Fe2O3 陽極的示意圖。（b）3D打印鎳鐵電池的工作原理和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

在凝膠電解質(zhì)中測試的3D打印QSS-NFB設(shè)備的示意圖

獨(dú)特的配置使得最終的3D打印QSS-NFB設(shè)備在各種壓縮應(yīng)變下表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)穩(wěn)定性。在壓縮應(yīng)變率為60%的情況下，可壓縮3D打印QSS-NFB設(shè)備的比容量僅損失不到最大容量的10%。此外，幾個(gè)3D打印的可壓縮QSS-NFB設(shè)備可以串聯(lián)集成在單個(gè)芯片上，進(jìn)一步提高整體輸出電壓，從而點(diǎn)亮大功率發(fā)光二極管燈。這些結(jié)果清楚地表明，3D打印的可壓縮QSS-NFB設(shè)備是很有前途的儲(chǔ)能設(shè)備，具有高機(jī)械可擠壓性和優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，是高耐壓耐磨電子器件的理想選擇。


本文來源：DOI: 10.1021/acsnano.0c01157