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)療和國防等領域的飛速發(fā)展，開發(fā)具有高靈活性和強適應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，使其具有極高的應用前景和經(jīng)濟可觀性。其中，柔性ZIBs在能量存儲和多場景應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，往往存在電極結構單一，活性材料無法定量負載的問題。基于此，來自遼寧大學清潔能源化學研究院尹博思教授以CNT@MnO2為陰極，鋅粉為陽極，利用3D打印技術實現(xiàn)了多結構類型、高精度負載的柔性電池的制備，為未來柔性儲能器件的發(fā)展和應用增添新力量。

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)預設的數(shù)字模型，利用電腦程序控制，進行高精度逐層打印的一種增材制造技術。在此，澳大利亞斯威本科技大學馬天翼教授和遼寧大學尹博思教授利用3D打印技術，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載量和電池結構多樣化制造的領域提供了新思路。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，文章第一作者為團隊碩士研究生任昱金。

圖文解析

1.通過3D打印技術可以得到環(huán)形結構的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。這一結構具有較大的比表面積，可以促進離子交換，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的晶體結構。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打印設備加熱板圖片；插圖分別為單個結構、并聯(lián)結構和串聯(lián)結構的環(huán)型集流體。3D打印柔性電池電化學測試：（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復合材料，通過3D打印技術制備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)定的電化學性能。本工作展示了3D打印技術的高適應性、靈活性和可控性，拓寬了柔性儲能新體系，期待未來將此技術應用于更廣泛的儲能領域，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