吴忠帅课题组研制出3D打印钠离子微型电池

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近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员与郑双好副研究员团队，开发了可形成三维导电网络的电极油墨与高离子电导率的电解质油墨，显著提高了3D打印高载量微电极中的电子和离子传输效率，研制出高容量、高倍率柔性化钠离子微型电池。
　　可穿戴电子产品与微电子器件的发展，推动了对高性能、多功能、可定制以及柔性化微功率源的研究。平面钠离子微型电池由于钠资源丰富、成本低且钠离子传输较快等优势，被认为是一种有前景的新型微功率源。目前，钠离子微型电池通过微加工技术制备出的微电极通常厚度有限（＜10μm），使得其面积容量低于0.04mAh/cm2，难以满足对更高面积容量的需求。为此，需要发展一种高效可行的策略来构建三维结构的钠离子微型电池（电极厚度＞100μm），以充分利用有限的空间。然而，厚电极中因弯曲度高、离子扩散路径长、电极材料利用不充分，阻碍了电子/离子的快速传输和转化，从而难以实现高性能钠离子微型电池的构筑。

　　本工作中，该团队通过3D打印构建出高面积比容量、高倍率平面钠离子微型电池。团队通过制备具有适当粘度和流变特性的3D打印电极油墨，3D打印厚电极（厚度可达1200μm）具有三维多孔导电框架结构，促进了离子传输动力学速率，降低了厚电极中的电子传输距离，有效地提高了钠离子微型电池的电化学性能。所制备的钠离子微型电池在低电流密度2mA/cm2时表现出4.5mAh/cm2的高面容量和7.33mWh/cm2的高面能量密度。由于厚电极中有效导电网络的构建以及高离子电导率的凝胶电解液，该微型电池在高电流密度40mA/cm2时仍具有3.6mAh/cm2的高面容量以及6000圈的长循环稳定性。此外，得益于多孔微电极结构能够容纳机械应力以及离子液体凝胶电解质与基底的强界面相互作用，该钠离子微型电池表现出优异的机械柔性。本工作展现了3D打印高性能平面微型电池在可穿戴和便携式微电子领域的应用潜力。
　　在构筑可打印微型电化学储能器件工作中，吴忠帅团队此前曾开发出多种打印技术，如喷涂打印微型超级电容器（Adv. Mater.，2017；ACS Nano，2017），丝网印刷微型超级电容器、锂离子/锌锰微型电池（Energy Environ. Sci.，2019；Natl. Sci. Rev.，2020； Adv. Mater.，2021；Small，2021），喷墨打印微型超级电容器与自供电温度传感集成系统（Adv. Energy Mater.，2021），3D打印微型超级电容器与锌离子杂化电容器（J. Energy Chem.，2021；Adv. Energy Mater.，2022）。
　　相关研究成果以“3D Printing Flexible Sodium Ion Micro-batteries with Ultrahigh Areal Capacity and Robust Rate Capability”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。该工作的第一作者是我所508组博士研究生马佳鑫。上述工作得到国家自然科学基金、中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。（文/图 马佳鑫、郑双好）
　　文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205569


       文章来源：大连化物所
      吴忠帅，男，汉族，1981年生于大连庄河。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。