近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員吳忠帥與副研究員鄭雙好團隊，開發了可形成三維導電網絡的電極油墨與高離子電導率的電解質油墨，顯著提高了3D打印高載量微電極中的電子和離子傳輸效率，研制出了高容量、高倍率柔性化鈉離子微型電池。相關研究成果發表在《先進材料》。
可穿戴電子產品與微電子器件的發展，推動了對高性能、多功能、可定制以及柔性化微功率源的研究。而平面鈉離子微型電池由于鈉資源豐富、成本低且鈉離子傳輸較快等優勢，被認為是一種有前景的新型微功率源。目前，鈉離子微型電池通過微加工技術制備出的微電極通常厚度有限（＜10μm），使得其面積容量低于0.04mAh/cm2，難以滿足對更高面積容量的需求。為此，需要發展一種高效可行的策略來構建三維結構的鈉離子微型電池（電極厚度＞100μm），以充分利用有限的空間。然而，厚電極中因彎曲度高、離子擴散路徑長、電極材料利用不充分，阻礙了電子/離子的快速傳輸和轉化，從而難以實現高性能鈉離子微型電池的構筑。
本工作中，團隊通過3D打印構建出了高面積比容量、高倍率平面鈉離子微型電池其通過制備具有適當粘度和流變特性的3D打印電極油墨，3D打印厚電極（厚度可達1200μm）具有三維多孔導電框架結構，促進了離子傳輸動力學速率，降低了厚電極中的電子傳輸距離，有效地提高了鈉離子微型電池的電化學性能。研究所制備的鈉離子微型電池在低電流密度2mA/cm2時表現出4.5mAh/cm2的高面容量和7.33mWh/cm2的高面能量密度。由于厚電極中有效導電網絡的構建以及高離子電導率的凝膠電解液，該微型電池在高電流密度40mA/cm2時仍具有3.6mAh/cm2的高面容量以及6000圈的長循環穩定性。此外，得益于多孔微電極結構能夠容納機械應力以及離子液體凝膠電解質與基底的強界面相互作用，該鈉離子微型電池表現出優異的機械柔性。
本工作展現了3D打印高性能平面微型電池在可穿戴和便攜式微電子領域的應用潛力。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202205569
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