3D打印压缩电池挤提高性能

来源：江苏激光产业联盟

导读：具有稳定的电化学性能的可压缩电池的设计在耐压缩和柔性电子中极为重要。尽管这对于当前的电池制造方法仍然具有挑战性，但是3D打印领域提供了生产具有各种结构配置的独立式3D打印电极的可能性。可以制造出具有任意形状，层数和图案的电池电极。

图形摘要

随着对更加轻便、紧凑和可自我调节的可穿戴电子设备的需求日益增长，灵活、可拉伸/可压缩和耐用的能量存储设备的可行性对于现实生活中的应用至关重要。在各种储能装置中，以高功率密度、优异的循环稳定性和在各种环境或机械变形下的良好安全性为特征的准固态水性可充电电池正成为最引人注目的候选电池之一。迄今为止，已经开发了各种类型的准固态水性可充电电池，包括含水碱金属离子(Li+, Na+ and K+)，多价金属离子 (Al3+, Zn2+, and Mg2+)和镍基 （镍锌，镍锌和镍铁）电池。尤其是，准固态镍铁(Ni–Fe)水性电池因其低成本效益，出色的循环性能，出色的过充/过放电，深循环耐受性能以及良好的机械稳定性而受到广泛关注，在大中型储能系统中具有广阔的应用前景。

尽管具有这些优点，但镍-铁可充电电池却被其他电池所取代，这主要是由于它们具有较高的自放电率和较低的功率/能量密度。为了解决这些问题，将3D混合碳基复合膜或3D自支撑纳米结构阵列直接用作电极的活性材料，从而显着提高了镍铁电池的能量密度和倍率性能。为了解决这些问题，将3D混合碳基复合膜或3D自支撑纳米结构阵列直接用作电极的活性材料，从而显着提高了镍铁电池的能量密度和倍率性能。然而，它们的实际应用仍然受到其低活性材料利用率或两个电极的质量负载的限制。此外，很少有人关注使可压缩电极能够在不同压缩条件下保持优异性能的问题，这是研究可压缩Ni-Fe电池的关键因素。因此，设计具有3D自支撑，高质量负载，有序多孔结构和良好的机械性能的阳极/阴极电极仍然是巨大的挑战，最终有利于开发高能量密度，高稳定性和理想的可压缩Ni-Fe电池。

近来，基于挤压的3D打印技术以高度可调和可扩展的方式用于创建各种复杂的多孔结构，这已在各种定制电子设备中得到了探索。3D打印的主要优点是提供了一种直接书写方法来生成具有可控接触表面积的各种多孔结构。3D打印的主要优点是提供一种直接写入方法，以生成具有可控接触表面积的各种多孔结构。然而，3D打印油墨在压缩和剪切下需要更好的粘度和较高的屈服应力，而这需要对流变特性进行良好的控制。氧化石墨烯Graphene oxide(GO)具有丰富的两亲性、稳定的分散性和可调的流变性能，通常被用来制备各种水性复合油墨。

然而，开发3D可打印的氧化石墨烯墨水是非常具有挑战性的，因为大多数氧化石墨烯基气凝胶来自氧化石墨烯悬浮液的稀释前体 (<5 mg mL–1) 具有低且不可打印的粘度(η)。对于不同的印刷目的，通过改变氧化石墨烯基油墨和添加剂（例如Ca2+，碳纳米管(CNTs)和纤维素纳米纤维）的浓度和比例（例如良好的可成型性、高孔隙率、优异的导电性和机械稳定性）来控制所需的油墨流变性能。迄今为止，已经成功设计和构建了多种基于rGO的电极架构，例如网格，叉指和微晶格结构。这些3D打印的rGO基结构表现出良好的导电性、超轻重量和高压缩性，是储能应用的良好候选材料。遗憾的是，对于裸露的3D打印碳电极，比容量通常相对较低，并且通常通过折衷面积和体积容量来获得高比容量。为解决这些问题，已将各种具有高比容量和大表面积的活性材料掺入印刷油墨配方中，显示出电化学性能的明显改善。然而，在更大规模的生产过程和随后的电化学应用中，保持油墨的流变性能仍然存在挑战。

在该研究中，研究人员通过逐层堆叠3D打印方法制造3D打印的准固态镍铁电池（QSS-NFB）设备。高导电性和相互连接的1D 碳纳米管(CNTs)和2D rGO纳米片墨水用于打印具有可调厚度的自支撑周期性rGO / CNT混合气凝胶微晶格。该装置的电极由超薄的Ni(OH)2纳米片和多孔α-Fe2O3 纳米碳结构组成，其可以用超过130 mg cm–3 的超高活性材料负载来实现高达60%的优异压缩性。在PVA / KOH凝胶电解质中的QSS-NFB设备中，可以实现28.1mWh cm–3的超高体积能量、10.6mW cm–3功率密度，即使在严重的机械应力下，该电解质也可循环1500次以上的稳定性能。

3D打印的镍铁电池的制造程序和示意图。

（a）制作3D打印的rGO/CNTs@Ni(OH)2 阴极和3D打印的rGO/CNTs@α-Fe2O3 阳极的示意图。（b）3D打印镍铁电池的工作原理和电化学反应机理。

在凝胶电解质中测试的3D打印QSS-NFB设备的示意图

独特的配置使得最终的3D打印QSS-NFB设备在各种压缩应变下表现出卓越的电化学稳定性。在压缩应变率为60%的情况下，可压缩3D打印QSS-NFB设备的比容量仅损失不到最大容量的10%。此外，几个3D打印的可压缩QSS-NFB设备可以串联集成在单个芯片上，进一步提高整体输出电压，从而点亮大功率发光二极管灯。这些结果清楚地表明，3D打印的可压缩QSS-NFB设备是很有前途的储能设备，具有高机械可挤压性和优异的电化学稳定性，是高耐压耐磨电子器件的理想选择。


本文来源：DOI: 10.1021/acsnano.0c01157