湖南大學(xué)：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(xué)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(biāo)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(yīng)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(xué)（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(shè)計和可靠制造是對化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)性能。這種具有有序3D通孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(lǐng)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(xué)基金,、湖南省自然科學(xué)基金、中央高�,；�礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)示意圖

圖6. 與PVO正極材料相匹配的全電池性能