【產(chǎn)通社，8月31日訊】中國科學(xué)院（Chinese Academy of Sciences）官網(wǎng)消息，大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)浥c副研究員鄭雙好團(tuán)隊(duì)，近日開發(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。

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具有鈉資源豐富、成本低且鈉離子傳輸較快等優(yōu)勢，被認(rèn)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(kuò)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(shí)現(xiàn)高性能鈉離子微型電池的構(gòu)筑。

該工作中，研究團(tuán)隊(duì)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。他們通過制備具有適當(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(dá)1200μm）具有三維多孔導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)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，有效提高了鈉離子微型電池的電化學(xué)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(jī)械應(yīng)力以及離子液體凝膠電解質(zhì)與基底的強(qiáng)界面相互作用，該鈉離子微型電池表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械柔性。該工作展現(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。

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(jìn)材料》（Advanced Materials）上。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“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(xiàng)目的資助。

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