3D打印可压缩准固态镍-铁电池

供稿人：李坚，鲁中良
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

3D打印技术可制备具有特殊复杂结构的三维电极，新加坡国立大学的De Zhi Kong团队基于此技术制备了一种具有稳定电化学性能的可压缩电池。他们制备的三维准固态镍-铁电池（QSS-NFB）具有良好的可压缩性、超高的比能量密度和优良的长期循环稳定性，在耐压缩和柔性电子技术中具有极其重要的意义。他们分别制备了超薄Ni(OH)2纳米片阵列阴极和多孔α-Fe2O3纳米棒阵列阳极（图1a），其均具有超高的活性物质负载量（≥130mg·cm-3），且可压缩性高达60%（图1b-d）。此外，压缩后的QSS-NFB在10.6mW·cm-3的功率下表现出优异的循环稳定性（10000次循环后还具有91.3%的容量保持率）和超高的能量密度（28.1mWh·cm-3）。

(a)基于3D打印技术的可压缩QSS-NFB结构示意图；(b–d)3D打印可压缩QSS-NFB结构的压缩和恢复过程实时照片。 图1 3D打印准固态镍-铁电池。
3D打印可压缩QSS-NFB电极流程如图2a所示。首先，制备含有GO和CNT的均匀分散浆料，通过直写成型技术在基板上沉积三维GO/CNT微晶格。其次，利用冷冻干燥的方法将三维打印的微晶格制成气凝胶，然后在氩气气氛下烧结，将GO转化为rGO。最后，采用简单的盐析法和溶剂加热法在3D打印的rGO/CNT微晶格上分别生长出Ni(OH)2纳米片和α-Fe2O3纳米棒阵列，得到了超薄Ni(OH)2纳米片阴极和多孔α-Fe2O3纳米棒阳极，且其质量负载均可调。

(a)3D打印CNTs@Ni(OH)2阴极和rGO/CNT@α-氧化铁阳极；(b)3D打印镍-铁电池的工作原理及电化学反应机理。 图2 3D打印镍-铁电池的工艺流程和工作原理图。
作者采用直写成型工艺制作了可压缩的三维rGO/CNT基微晶格电极。在压缩应变比为60%时，3D打印的rGO/CNT基微晶格的结构可以完全恢复而不发生塑性变形，且其比容量仅损失最大容量的10%。此外，多个3D打印可压缩QSS-NFB电极可以串联集成在一个电芯中，进一步提高了整体输出电压，可以点亮大功率LED灯。以上研究结果表明，3D打印可压缩QSS-NFB电池具有较高的机械压缩性和良好的电化学稳定性，是一种很有应用前景的储能器件。

参考文献：
Kong D, Wang Y, Huang S, et al. 3D Printed Compressible Quasi-Solid-State Nickel-Iron Battery[J]. ACS Nano, 2020, 14(8)9675-9686.