湖南大學：3D打印功能結(jié)構(gòu)一體化金屬微點陣助力高性能鋅離子電池

來源：摩方材料

電化學儲能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是推動全社會綠色低碳發(fā)展、實現(xiàn)碳中和目標的重大戰(zhàn)略需求。水系鋅離子電池具有成本低廉、生態(tài)友好、體積能量密度高、安全性高等優(yōu)點，被認為是極具前景的大規(guī)模儲能體系。然而，鋅負極存在枝晶生長、不可逆副反應等問題，這嚴重制約了鋅離子電池的發(fā)展。

鋅負極表界面對鋅離子電池性能具有重要的影響，目前的研究多集中在化學（電解液添加劑）或材料層面（界面涂層修飾），電極功能結(jié)構(gòu)的精準設計和可靠制造是對化學和材料研究的重要補充。通過微納尺度先進制造技術(shù)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)的尺寸、結(jié)構(gòu)和空間排布有望從制造學科角度為提高鋅離子電池性能開辟新的途徑。

近日，湖南大學段輝高教授、張冠華副教授、張夏楠等人突破傳統(tǒng)鋅負極優(yōu)化策略，提出“多功能3D結(jié)構(gòu)電極”新思路，借助跨尺度高精度3D打印技術(shù)（摩方精密，nanoArch P140）和化學沉積/電沉積技術(shù)成功實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化鋅負極的可靠制造。多級金屬點陣結(jié)構(gòu)的3D通孔結(jié)構(gòu)和超親水表面能夠有效調(diào)控電極電場分布，實現(xiàn)誘導鋅金屬優(yōu)先沉積到點陣通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，保證點陣電極表面鋅均勻沉積。通過電極在電解液中的電流密度分布模擬和鋅沉積/剝離過程的原位顯微觀察證實3D Ni-Zn微點陣電極具有更低的鋅成核過電位、更多的成核位點、更均勻的局域電場分布、更高的可逆鋅沉積/剝離效率。

此外，由3D Ni-Zn微點陣負極和聚苯胺插層的氧化釩正極組裝而成的全電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性能。這種具有有序3D通孔結(jié)構(gòu)的導電金屬微點陣為開發(fā)其它高性能金屬(如Li,Na, K, Mg, Al)電池提供了新的思路。

相關(guān)成果以“3D-printed multi-channelmetal lattices enabling localized electric-field redistribution fordendrite-free aqueous Zn-ion batteries”為題目發(fā)表于能源材料與器件領域頂級期刊《Advanced Energy Materials》。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003927
上述工作得到了國家自然科學基金、湖南省自然科學基金、中央高校基礎研究基金、長沙市科技局基金等資金支持。

圖1. 3D Ni-Zn微點陣結(jié)構(gòu)制備流程示意圖

圖2. 3D Ni-Zn微點陣電極相關(guān)表征

圖3. 由3D Ni-Zn電極所制備的對稱電池和半電池性能

圖4. 2D Ni-Zn、3D Ni-Zn電極的電解液中電流密度分布仿真以及循環(huán)后的超景深顯微鏡圖片和相應高度云圖

圖5. 在2D Ni、3D Ni電極表面沉積不同容量鋅的SEM照片與相應示意圖

圖6. 與PVO正極材料相匹配的全電池性能