供稿人：李堅(jiān)，魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-07-01
3D打印技術(shù)可制備具有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維電極，新加坡國立大學(xué)的De Zhi Kong團(tuán)隊(duì)基于此技術(shù)制備了一種具有穩(wěn)定電化學(xué)性能的可壓縮電池。他們制備的三維準(zhǔn)固態(tài)鎳-鐵電池（QSS-NFB）具有良好的可壓縮性、超高的比能量密度和優(yōu)良的長期循環(huán)穩(wěn)定性，在耐壓縮和柔性電子技術(shù)中具有極其重要的意義。他們分別制備了超薄Ni(OH)2納米片陣列陰極和多孔α-Fe2O3納米棒陣列陽極（圖1a），其均具有超高的活性物質(zhì)負(fù)載量（≥130mg·cm-3），且可壓縮性高達(dá)60%（圖1b-d）。此外，壓縮后的QSS-NFB在10.6mW·cm-3的功率下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（10000次循環(huán)后還具有91.3%的容量保持率）和超高的能量密度（28.1mWh·cm-3）。
(a)基于3D打印技術(shù)的可壓縮QSS-NFB結(jié)構(gòu)示意圖；(b–d)3D打印可壓縮QSS-NFB結(jié)構(gòu)的壓縮和恢復(fù)過程實(shí)時(shí)照片。 圖1 3D打印準(zhǔn)固態(tài)鎳-鐵電池。
3D打印可壓縮QSS-NFB電極流程如圖2a所示。首先，制備含有GO和CNT的均勻分散漿料，通過直寫成型技術(shù)在基板上沉積三維GO/CNT微晶格。其次，利用冷凍干燥的方法將三維打印的微晶格制成氣凝膠，然后在氬氣氣氛下燒結(jié)，將GO轉(zhuǎn)化為rGO。最后，采用簡單的鹽析法和溶劑加熱法在3D打印的rGO/CNT微晶格上分別生長出Ni(OH)2納米片和α-Fe2O3納米棒陣列，得到了超薄Ni(OH)2納米片陰極和多孔α-Fe2O3納米棒陽極，且其質(zhì)量負(fù)載均可調(diào)。
(a)3D打印CNTs@Ni(OH)2陰極和rGO/CNT@α-氧化鐵陽極；(b)3D打印鎳-鐵電池的工作原理及電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。 圖2 3D打印鎳-鐵電池的工藝流程和工作原理圖。
作者采用直寫成型工藝制作了可壓縮的三維rGO/CNT基微晶格電極。在壓縮應(yīng)變比為60%時(shí)，3D打印的rGO/CNT基微晶格的結(jié)構(gòu)可以完全恢復(fù)而不發(fā)生塑性變形，且其比容量僅損失最大容量的10%。此外，多個(gè)3D打印可壓縮QSS-NFB電極可以串聯(lián)集成在一個(gè)電芯中，進(jìn)一步提高了整體輸出電壓，可以點(diǎn)亮大功率LED燈。以上研究結(jié)果表明，3D打印可壓縮QSS-NFB電池具有較高的機(jī)械壓縮性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，是一種很有應(yīng)用前景的儲能器件。