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四川大學(xué)劉慰研究員/廣西大學(xué)石紹宏助理教授 Adv. Funct. Mater.：3D打印可定制幾何結(jié)構(gòu)的水系鋅離子電池
2024-02-14  來(lái)源：高分子科技

  新興的可穿戴或植入式電子設(shè)備是傳感、監(jiān)測(cè)和治療的強(qiáng)大互動(dòng)平臺(tái)，這需要具有可定制尺寸和幾何形狀的高性能電池。與其他電池系統(tǒng)相比，水系鋅離子電池具有優(yōu)異的生物相容性，不涉及重金屬和氟化物等對(duì)人體有毒的元素，是最合適的電池系統(tǒng)。然而，其鋅枝晶生長(zhǎng)和析氫反應(yīng)會(huì)造成電池內(nèi)部短路、庫(kù)倫效率低和循環(huán)壽命縮短。



  鑒于此，廣西大學(xué)石紹宏助理教授與四川大學(xué)劉慰研究員合作，利用3D打印增材制造技術(shù)和化學(xué)沉積相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種具有可定制幾何形狀的輕質(zhì)三維銅結(jié)構(gòu)，提供了與商業(yè)泡沫銅相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性，并減少約 80% 的銅用量，同時(shí)采用親鋅石墨烯涂層促進(jìn)鋅在三維銅表面均勻且優(yōu)先Zn(002)晶面生長(zhǎng)，大大抑制了析氫反應(yīng)。負(fù)載鋅的三維電極可使對(duì)稱(chēng)電池在 10 mA cm-2 下穩(wěn)定循環(huán) 300 小時(shí)，比累積容量達(dá)到 86.7 Ah g-1，表現(xiàn)出優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性、高充電率和輕量化電極特征。全3D打印的袋式全電池（3.6 mAh）在 1 C 下循環(huán) 200 次后，仍顯示出 91.4% 的容量保持率，充分體現(xiàn)了其在新型電池的適用性。該研究不僅從電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度還是其性能表現(xiàn)，均為開(kāi)發(fā)輕質(zhì)集流體和可定制、高能量的水系鋅離子電池提供了創(chuàng)新思路。

 

圖一：石墨烯抑制鋅枝晶生長(zhǎng)

 

圖二：3DP Cu@Gr電極合成

 

圖三：3DP Cu@Gr電極結(jié)構(gòu)表征

 

圖四：3DP Cu@Gr//Zn半電池性能表征

 

圖五：全電池性能表征


  上述工作以“Lightweight Zn-philic 3D-Cu Scaffold for Customizable Zinc Ion Batteries”為題，發(fā)表在SCI雜志《Advanced Functional Materials》（中科院1區(qū)，IF =19.0）上。論文通訊作者為四川大學(xué)劉慰研究員，第一作者為廣西大學(xué)石紹宏助理教授，學(xué)生第一作者為周東成碩士研究生。近年來(lái)，結(jié)合3D打印增材制造技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)已在Nano-Micro Lett.、Chem. Eng. J.、Compos. Part B Eng.、Carbohyd. Polym.等發(fā)表高水平SCI論文多篇。這些研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFE0135900）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52303036）、廣西科技基地和人才專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（GUIKE AD23026179）等項(xiàng)目支持。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312664

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