大連化物所研制出3D打印鈉離子微型電池
魔猴君 行業(yè)資訊 789天前
2022年8月24日，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國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（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)了可形成三維導電網(wǎng)絡的電極油墨與高離子電導率的電解質油墨，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建三維結構的鈉離子微型電池（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化，從而難以實現(xiàn)高性能鈉離子微型電池的構筑。
本工作中，該團隊通過3D打印構建出高面積比容量、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）具有三維多孔導電框架結構，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電網(wǎng)絡的構建以及高離子電導率的凝膠電解液，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構能夠容納機械應力以及離子液體凝膠電解質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域的應用潛力。
在構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，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類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”、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
