湖南大學(xué)：3D打印功能結(jié)構(gòu)一體化金屬微點(diǎn)陣助力高性能鋅離子電池

來源：摩方材料

電化學(xué)儲(chǔ)能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是推動(dòng)全社會(huì)綠色低碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重大戰(zhàn)略需求。水系鋅離子電池具有成本低廉、生態(tài)友好、體積能量密度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極具前景的大規(guī)模儲(chǔ)能體系。然而，鋅負(fù)極存在枝晶生長、不可逆副反應(yīng)等問題，這嚴(yán)重制約了鋅離子電池的發(fā)展。

鋅負(fù)極表界面對(duì)鋅離子電池性能具有重要的影響，目前的研究多集中在化學(xué)（電解液添加劑）或材料層面（界面涂層修飾），電極功能結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和可靠制造是對(duì)化學(xué)和材料研究的重要補(bǔ)充。通過微納尺度先進(jìn)制造技術(shù)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)的尺寸、結(jié)構(gòu)和空間排布有望從制造學(xué)科角度為提高鋅離子電池性能開辟新的途徑。

近日，湖南大學(xué)段輝高教授、張冠華副教授、張夏楠等人突破傳統(tǒng)鋅負(fù)極優(yōu)化策略，提出“多功能3D結(jié)構(gòu)電極”新思路，借助跨尺度高精度3D打印技術(shù)（摩方精密，nanoArch P140）和化學(xué)沉積/電沉積技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化鋅負(fù)極的可靠制造。多級(jí)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3D通孔結(jié)構(gòu)和超親水表面能夠有效調(diào)控電極電場分布，實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)鋅金屬優(yōu)先沉積到點(diǎn)陣通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，保證點(diǎn)陣電極表面鋅均勻沉積。通過電極在電解液中的電流密度分布模擬和鋅沉積/剝離過程的原位顯微觀察證實(shí)3D Ni-Zn微點(diǎn)陣電極具有更低的鋅成核過電位、更多的成核位點(diǎn)、更均勻的局域電場分布、更高的可逆鋅沉積/剝離效率。

此外，由3D Ni-Zn微點(diǎn)陣負(fù)極和聚苯胺插層的氧化釩正極組裝而成的全電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。這種具有有序3D通孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬微點(diǎn)陣為開發(fā)其它高性能金屬(如Li,Na, K, Mg, Al)電池提供了新的思路。

相關(guān)成果以“3D-printed multi-channelmetal lattices enabling localized electric-field redistribution fordendrite-free aqueous Zn-ion batteries”為題目發(fā)表于能源材料與器件領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Advanced Energy Materials》。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003927
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、中央高�；�礎(chǔ)研究基金、長沙市科技局基金等資金支持。

圖1. 3D Ni-Zn微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備流程示意圖

圖2. 3D Ni-Zn微點(diǎn)陣電極相關(guān)表征

圖3. 由3D Ni-Zn電極所制備的對(duì)稱電池和半電池性能

圖4. 2D Ni-Zn、3D Ni-Zn電極的電解液中電流密度分布仿真以及循環(huán)后的超景深顯微鏡圖片和相應(yīng)高度云圖

圖5. 在2D Ni、3D Ni電極表面沉積不同容量鋅的SEM照片與相應(yīng)示意圖

圖6. 與PVO正極材料相匹配的全電池性能