具有高柔韌性和穩(wěn)定性的Zn//CNT@MnO2柔性電池

研究背景

隨著信息、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，開發(fā)具有高靈活性和強(qiáng)適應(yīng)性的儲能裝置成為迫切需求。水系鋅離子電池（ZIBs）作為最具潛力的電池之一，因資源豐富、安全環(huán)保、具有高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，使其具有極高的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)可觀性。其中，柔性ZIBs在能量存儲和多場景應(yīng)用等方面占有重要地位，但利用傳統(tǒng)方法制備的柔性電池，往往存在電極結(jié)構(gòu)單一，活性材料無法定量負(fù)載的問題?；诖?，來自遼寧大學(xué)清潔能源化學(xué)研究院尹博思教授以CNT@MnO2為陰極，鋅粉為陽極，利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多結(jié)構(gòu)類型、高精度負(fù)載的柔性電池的制備，為未來柔性儲能器件的發(fā)展和應(yīng)用增添新力量。

文章簡介

柔性ZIBs作為柔性儲能裝置的一個重要分支，近年來發(fā)展迅速。3D打印是根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)字模型，利用電腦程序控制，進(jìn)行高精度逐層打印的一種增材制造技術(shù)。在此，澳大利亞斯威本科技大學(xué)馬天翼教授和遼寧大學(xué)尹博思教授利用3D打印技術(shù)，以CNT@MnO2墨水為陰極，鋅粉墨水為陽極，制備了具有高柔韌性和穩(wěn)定性的Zn//CNT@MnO2柔性電池。 電化學(xué)測試表明，在未彎曲狀態(tài)下，電流密度為0.4 mA cm-2時，電池放電比容量為63 μAh cm-2。在不同彎曲程度下，放電比容量的最大變化率僅為2.72%，證明了電池的穩(wěn)定性。此工作為需要控制材料負(fù)載量和電池結(jié)構(gòu)多樣化制造的領(lǐng)域提供了新思路。文章以“CNT@MnO2 composite ink toward a flexible 3D printed micro-zinc-ion battery”為題發(fā)表在Carbon Energy上，文章第一作者為團(tuán)隊(duì)碩士研究生任昱金。

圖文解析

1.通過3D打印技術(shù)可以得到環(huán)形結(jié)構(gòu)的Zn//CNT@MnO2電池。電池陰極材料通過一步水熱法合成，由SEM和TEM圖像可以觀察到CNT被MnO2均勻包覆。這一結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，可以促進(jìn)離子交換，極大提高電池容量。

圖1（A）3D打印電池示意圖。（B,C）不同放大倍數(shù)下CNT@MnO2的SEM圖像。（D） CNT@MnO2的TEM圖像。（E）CNT@MnO2的HRTEM圖像.（F）CNT@MnO2晶格間距。 2.通過XRD和XPS表征，證明用于制造柔性電池的陰極材料CNT@MnO2被成功合成，錳氧化物類型為d-MnO2。

圖2（A）MnO2和CNT@MnO2的XRD圖.（B）MnO2的晶體結(jié)構(gòu)。CNT@MnO2的XPS譜圖：（C）全譜，（D）Mn2p，（E）O1s和（F）C1s。 3.3D打印柔性電池的電化學(xué)測試表明，在電流密度為0.4 mA cm-2時，電池的放電比容量達(dá)到63 μAh cm-2。未彎曲狀態(tài)下，電流密度為1.6 mA cm-2時的放電比容量為4.78 μAh cm-2，不同彎曲狀態(tài)下的放電比容量分別為4.85、4.65、4.66和4.74 μAh cm-2，與初始狀態(tài)相比，最大差值僅為2.72%，表明電池具有良好的柔韌性和穩(wěn)定性。

圖3（A）多噴嘴打印系統(tǒng)和3D打印設(shè)備加熱板圖片；插圖分別為單個結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的環(huán)型集流體。3D打印柔性電池電化學(xué)測試：（B）不同掃速下的CV曲線，（C）不同電流密度下的放電曲線。（D）未彎曲狀態(tài)下掃速為8.0 mV s-1時的CV曲線。（E）電流密度為1.6 mA cm-2時的放電曲線（插圖顯示未彎曲狀態(tài)下圖片）。（F）電池在不同彎曲狀態(tài)下的圖片。（G）3D打印柔性電池在不同彎曲狀態(tài)下掃速為8.0 mV s-1時的CV曲線。（H）不同彎曲狀態(tài)下電流密度為1.6 mA cm-2時的放電曲線。

結(jié)論與展望

綜上所述，本文采用簡單的一步水熱法合成CNT@MnO2復(fù)合材料，通過3D打印技術(shù)制備Zn//CNT@MnO2柔性電池。在CV和GCD測試中，電池在不同掃速和電流密度下表現(xiàn)出穩(wěn)定的電化學(xué)性能。本工作展示了3D打印技術(shù)的高適應(yīng)性、靈活性和可控性，拓寬了柔性儲能新體系，期待未來將此技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的儲能領(lǐng)域，同時助力水系柔性電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

審核編輯 ：李倩