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3D打印可压缩准固态镍-铁电池

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  发布日期:2021-07-01
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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:

  1. 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.