近日，中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室研究員吳忠?guī)浥c副研究員鄭雙好團隊，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，研制出了高容量、高倍率柔性化鈉離子微型電池。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》。
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。而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，團隊通過3D打印構(gòu)建出了高面積比容量、高倍率平面鈉離子微型電池其通過制備具有適當(dāng)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(xué)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(xué)性能。研究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。
關(guān)鍵詞： 高容量高倍率 3D打印高性能鈉離子微型電池研究取得進展 微電子器件 可穿戴電子產(chǎn)品
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