大連化物所研制出3D打印鈉離子微型電池

來源：中科院大連物化所

2022年8月24日，南極熊獲悉，繼提出水系鋅離子雜化電容器的新得可定制化打印策略后，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學與能源應(yīng)用研究組（508組）吳忠?guī)泩F隊近日又在鈉離子微型電池的3D打印方面取得突破。吳忠?guī)浹芯繂T與鄭雙好副研究員團隊，開發(fā)了可形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電極油墨與高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)油墨，顯著提高了3D打印高載量微電極中的電子和離子傳輸效率，研制出高容量、高倍率柔性化鈉離子微型電池。

可穿戴電子產(chǎn)品與微電子器件的發(fā)展，推動了對高性能、多功能、可定制以及柔性化微功率源的研究。平面鈉離子微型電池由于鈉資源豐富、成本低且鈉離子傳輸較快等優(yōu)勢，被認為是一種有前景的新型微功率源。目前，鈉離子微型電池通過微加工技術(shù)制備出的微電極通常厚度有限（＜10μm），使得其面積容量低于0.04mAh/cm2，難以滿足對更高面積容量的需求。為此，需要發(fā)展一種高效可行的策略來構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的鈉離子微型電池（電極厚度＞100μm），以充分利用有限的空間。然而，厚電極中因彎曲度高、離子擴散路徑長、電極材料利用不充分，阻礙了電子/離子的快速傳輸和轉(zhuǎn)化，從而難以實現(xiàn)高性能鈉離子微型電池的構(gòu)筑。

本工作中，該團隊通過3D打印構(gòu)建出高面積比容量、高倍率平面鈉離子微型電池。團隊通過制備具有適當粘度和流變特性的3D打印電極油墨，3D打印厚電極（厚度可達1200μm）具有三維多孔導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)，促進了離子傳輸動力學速率，降低了厚電極中的電子傳輸距離，有效地提高了鈉離子微型電池的電化學性能。所制備的鈉離子微型電池在低電流密度2mA/cm2時表現(xiàn)出4.5mAh/cm2的高面容量和7.33mWh/cm2的高面能量密度。由于厚電極中有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及高離子電導(dǎo)率的凝膠電解液，該微型電池在高電流密度40mA/cm2時仍具有3.6mAh/cm2的高面容量以及6000圈的長循環(huán)穩(wěn)定性。此外，得益于多孔微電極結(jié)構(gòu)能夠容納機械應(yīng)力以及離子液體凝膠電解質(zhì)與基底的強界面相互作用，該鈉離子微型電池表現(xiàn)出優(yōu)異的機械柔性。本工作展現(xiàn)了3D打印高性能平面微型電池在可穿戴和便攜式微電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

在構(gòu)筑可打印微型電化學儲能器件工作中，吳忠?guī)泩F隊此前曾開發(fā)出多種打印技術(shù)，如噴涂打印微型超級電容器（Adv. Mater.，2017；ACS Nano，2017），絲網(wǎng)印刷微型超級電容器、鋰離子/鋅錳微型電池（Energy Environ. Sci.，2019；Natl. Sci. Rev.，2020； Adv. Mater.，2021；Small，2021），噴墨打印微型超級電容器與自供電溫度傳感集成系統(tǒng)（Adv. Energy Mater.，2021），3D打印微型超級電容器與鋅離子雜化電容器（J. Energy Chem.，2021；Adv. Energy Mater.，2022）。

相關(guān)研究成果以“3D Printing Flexible Sodium Ion Micro-batteries with Ultrahigh Areal Capacity and Robust Rate Capability”為題，發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。該工作的第一作者是大連化物所508組博士研究生馬佳鑫。上述工作得到國家自然科學基金、中科院A類先導(dǎo)專項“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項目的資助。（文/圖 馬佳鑫、鄭雙好）

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205569