3D打印功能结构一体化金属微点阵助力高性能锌离子电池

发布日期:2022-03-25

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电化学储能是能源革命的关键支撑技术,是推动全社会绿色低碳发展、实现碳中和目标的重大战略需求。水系锌离子电池具有成本低廉、生态友好、体积能量密度高、安全性高等优点,被认为是极具前景的大规模储能体系。然而,锌负极存在枝晶生长、不可逆副反应等问题,这严重制约了锌离子电池的发展。锌负极表界面对锌离子电池性能具有重要的影响,目前的研究多集中在化学(电解液添加剂)或材料层面(界面涂层修饰),电极功能结构的精准设计和可靠制造是对化学和材料研究的重要补充。通过微纳尺度先进制造技术优化电极结构的尺寸、结构和空间排布有望从制造学科角度为提高锌离子电池性能开辟新的途径。

 

近日,湖南大学段辉高教授、张冠华副教授、张夏楠等人突破传统锌负极优化策略,提出“多功能3D结构电极”新思路,借助跨尺度高精度3D打印技术(摩方精密,nanoArch P140超高精度微纳3D打印设备)和化学沉积/电沉积技术成功实现结构功能一体化锌负极的可靠制造。多级金属点阵结构的3D通孔结构和超亲水表面能够有效调控电极电场分布,实现诱导锌金属优先沉积到点阵通孔结构内侧,保证点阵电极表面锌均匀沉积。通过电极在电解液中的电流密度分布模拟和锌沉积/剥离过程的原位显微观察证实3D Ni-Zn微点阵电极具有更低的锌成核过电位、更多的成核位点、更均匀的局域电场分布、更高的可逆锌沉积/剥离效率。此外,由3D Ni-Zn微点阵负极和聚苯胺插层的氧化钒正极组装而成的全电池表现出了优异的电化学性能。这种具有有序3D通孔结构的导电金属微点阵为开发其它高性能金属(如Li,Na, K, Mg, Al)电池提供了新的思路。相关成果以“3D-printed multi-channelmetal lattices enabling localized electric-field redistribution fordendrite-free aqueous Zn-ion batteries”为题目发表于能源材料与器件领域顶级期刊《Advanced Energy Materials》。

 

原文链接: 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003927

上述工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中央高校基础研究基金、长沙市科技局基金等资金支持。

 

3D Ni-Zn微点阵结构制备流程示意图

图1. 3D Ni-Zn微点阵结构制备流程示意图

 

3D Ni-Zn微点阵电极相关表征

图2. 3D Ni-Zn微点阵电极相关表征

 

由3D Ni-Zn电极所制备的对称电池和半电池性能

图3. 由3D Ni-Zn电极所制备的对称电池和半电池性能

 

2D Ni-Zn、3D Ni-Zn电极的电解液中电流密度分布仿真以及循环后的超景深显微镜图片和相应高度云图

图4. 2D Ni-Zn、3D Ni-Zn电极的电解液中电流密度分布仿真以及循环后的超景深显微镜图片和相应高度云图

 

 

图5. 在2D Ni、3D Ni电极表面沉积不同容量锌的SEM照片与相应示意图

图6. 与PVO正极材料相匹配的全电池性能

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