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第一作者：王聪，俞方
通讯作者：万厚钊，陈驰，王浩
通讯单位：湖北大学，湖北江城实验室，中科院福建物构所
【研究背景】
柔性、便携式和可穿戴电子设备在智能服装、可穿戴设备和植入式医疗设备等领域有着广泛的应用前景。市场上迫切需要可扩展、低成本、高性能的微型柔性储能技术，为这些设备提供可靠的储能解决方案。因此，为了适应下一代柔性电子器件的发展，开发高性能柔性储能器件成为近年来的研究热点。锌离子电池由于其丰富的锌阴极材料、低成本以及其特殊的电解质系统作为可穿戴和植入式医疗设备领域的柔性储能设备具有良好的适应性，因此具有极高的潜力。然而，锌阳极中析氢反应的存在会导致阳极材料在柔性衬底上易脱落，而影响电池的循环稳定性。
最近湖北大学万厚钊、王浩教授与中科院福建物构所陈驰副研究员采用激光刻蚀技术设计了一种超长寿命的芯片级柔性微型MnO2//Zn电池，造新地引入了一种抑制析氢的碳浆来解决循环过程中锌阳极的脱离问题。电极中碳层有效地提高了反应过程中的析氢电位，改善了锌阳极剥落的问题，在稳定电极结构方面发挥了关键作用。
【拟解决的关键问题】
1. 芯片级微型MnO2//Zn电池新型制备技术；
2. Zn金属阳极在水系电解液的析氢行为使之与衬底脱落，导致器件失效。
【研究思路剖析】
1. 采用激光刻蚀技术构筑芯片级柔性微型MnO2//Zn电池。
2. 造新地引入一种抑制析氢的碳浆来解决循环过程中锌阳极的脱离问题。
3. 通过实验与理论研究表明电极中碳层有效地提高了反应过程中的析氢电位，改善了锌阳极剥落的问题，在稳定电极结构方面发挥了关键作用。
【图文简介】
要点1. 利用激光刻蚀技术制备芯片级微型柔性电池
图1中可以看到制备微型锌离子电池的方法，设计了叉指电极结构，可进行大面积制备，在柔性储能器件中表现出巨大潜力。
图1. 激光刻蚀制备MnO2//Zn微型锌离子电池流程图。
要点2. 通过测试不同组电池比较获得电池最佳性能
通过测试不同沉积时间下的电池CV、GCD以及倍率性能对比，获得最佳沉积时间为600s得到的电池具有最好的电化学性能。对最优条件下的电池进行循环寿命测试，在不同电流密度下电池的放电比容量缓慢减小，体现良好的稳定性，并且在测试过程中，库伦效率为99.8%，表现出优异的电化学性能。
图2. a) MZIB模型图b) CV曲线，c) GCD曲线，d)在不同沉积时间下获得的MnO2//Zn MZIB倍率曲线，e) CV曲线，f)倍率，g) MnO2//Zn-600与C/Au//C/Au MZIB的循环稳定寿命图，h)最近报告中锌电池容量的比较。
要点3. 研究不同界面的产氢势垒来分析稳定性，探究电极反应动力学
测试了Au表面、Au/PET界面、Au/C界面和C/PET界面的析氢势垒，其反应了对水分解的难易程度，析氢势垒能量越低，越易发生水解反应产生氢气；其中PET/Au界面(0.08 eV)和Au表面(0.09 eV)的势垒较低，在电化学循环过程中易发生水解反应产生氢气从而造成电极材料脱落；而PET/C界面(1.23 eV)和C/Au(1.34 eV)界面势垒较高，不易发生水解反应，具有较好的稳定性。通过PET/C、PET/Au和PET/C/Au的HER极化图，可以看到PET/C/Au的HER性能最差，具有较高的过电势；从不同基底的Tafel斜率可以看到在相同动力学电流密度下，PET/C/Au的催化过程具有最高的过电势，不易发生析氢反应。
图3. a) Au/C原子模型，b)Au和C层之间的电荷转移，c)Au/PET表面和C/PET表面对H2 O的亲和力，e)Au表面析氢势垒、Au/PET界面、C界面和C/PET界面，f)不同衬底的LSV曲线，MnO2//PET/Au g)和PET/C/Au h)衬底制备的Zn-600微电池的光学和扫描电镜图像。
【意义分析】
本文通过激光刻蚀技术在柔性PET上制备Au/C/PET叉指电极，分别沉积MnO2和Zn纳米阵列结构作为正极和负极活性材料，并利用PAM凝胶电解质封装柔性微型锌离子电池，结果表现出良好的结构稳定性。并且最后通过串联微型锌离子电池进行LED灯点亮，证明其应用价值，为柔性微型锌离子电池在储能领域的应用提供一些思路。
【原文链接】
C. Wang, F. Yu, C. Chen, J. Xia, Y. Gan, J. Li, J. Yao, J. Zheng, X. Chen, Z. Wu, L. Lv, P. Liang, L. Shen, G. Ma, Y. Rao, L. Tao, H. Wang, J. Zhang, H. Wang, H. Wan, Laser Etching of On-chip Ultra-high Stability Flexible Micro MnO2//Zn batteries. Materials Today Energy (2024): 101530.
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2024.101530.
【作者简介】
王聪，2022年博士毕业，2020年以来在Chemical Engineering Journal、Advanced Energy Materials、Nanoscale Advances等发表SCI论文10篇，专利4项。
俞方，湖北大学微电子学院2021级研究生，主要研究方向为水系锌离子电池，研究兴趣包括储能器件、电化学、离子或柔性电池研究等领域。
万厚钊教授，博士生导师，湖北省青年人才。湖北大学研究生院副院长(挂职)，微纳电子材料与器件湖北省重点实验室副主任。获2022湖北向上向善好青年，3551光谷人才计划“产业教授”，全球前2%顶尖科学家2020与2022榜单，2021校青年科学家十大科技成果，2020-2022年校优秀教师。主要从事储能材料与器件基础研究与应用开发，主持国家科技重大专项子课题、国家自然科学基金面上与青年基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目与企业横向等10余项。以第一/通讯作者在Adv.Energy Mater. (2), Adv. Funct. Mater., Nano Micro lett., Nano Res.等SCI期刊发表论文50余篇，被引用5000余次，H因子38。申请国际/国家发明专利32项，其中授权16项。获2020-2022年度无机化工科学技术奖-技术发明奖二等奖(2/5)，兼任中国稀土学会固体科学与新材料专业委员会委员，《稀有金属》、《SmartMat》青年编委。指导本科生获A1类赛事：第八届“互联网+”全国银奖；第十七届“挑战杯”学术作品竞赛全国二等奖；第十三届“挑战杯”创业大赛全国铜奖。
王浩教授，国际先进材料协会会士（FIAAM），享受国务院政府特殊津贴，湖北省劳动模范、新世纪高层次人才第一层次人选、有突出贡献中青年专家。1989年、1994年获华中科技大学学士和博士学位；1994年-2002年北京大学、香港中文大学博士后；2002年任上海交通大学教授；2005-2010年任湖北省“楚天学者计划”特聘教授；2010年任剑桥大学高级研究员；2005-2019年分别任法国国家科学研究院、德国马普固态研究所、瑞典皇家理工学院、芬兰阿尔托大学、香港中文大学及台湾中山大学访问教授。兼任湖北江城实验室副主任和首席科学家、神经形态器件与类脑芯片湖北省工程研究中心主任，中国仪表功能材料学会副理事长、中国半导体三维集成制造产业联盟副理事长。Materials Focus 、Frontiers in Energy Research、《材料导报》编委。研究方向为能源信息功能材料与微纳器件，获湖北省自然科学二等奖等省部级奖励5项，获授权国际国内发明专利70余项。在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、InfoMat、SmartMat、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano-Micro Lett.、IEEE EDL等期刊发表论文300余篇，被引用8000余次。
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