【Li-S】NanoEnergy:定制化锂硫微电池的3D打印-MengliLi

锂电联盟会长 2024-10-07 09:27

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【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110101

【作者单位】

东南大学；南京大学

【论文摘要】

微电池在微电子、可穿戴和植入设备中作为关键能源供应组件。尽管近年来已有不少努力，但开发具有高能量密度和结构设计灵活性的锂金属微电池仍然面临挑战，这主要是由于锂箔的界面稳定性差和加工性差。

在这里，作者使用3D打印技术开发了具有定制化配置的锂硫（Li-S）微电池。这些微电池包括一个基于石墨烯气凝胶框架的可打印锂阳极和一个基于碳纳米笼框架的可打印硫阴极，具有丰富的多孔结构和大的比表面积。因此，3D打印的锂阳极在超高电流密度10 mA cm⁻²下实现了超过900小时的循环，且具有较低的过电位，而3D打印的硫阴极在高厚度2.3 mm下提供了21.9 mAh cm⁻²的超高容量。此外，3D打印的Li-S电池在高功率密度3.5 mW cm⁻²下提供了48.4 mWh cm⁻²的超高面积能量密度。通过LED照明和可穿戴传感器集成系统的应用展示了3D打印定制化Li-S微电池在任意形态因子的潜在应用前景，为其在微型设备中的应用铺平了道路。

【实验方法】

锂阳极墨水的制备：将石墨烯氧化物（GO，南京苏展智能科技有限公司）、多壁碳纳米管（CNTs，麦克林，>90%，长度：30-50μm）和碳纳米笼（CNCs）按质量比7:3:1在去离子水中搅拌，形成均匀的浆料。GO、CNT和CNC的质量比经过精心选择，以优化3DP-Li支架的亲锂性、机械强度和电导率（见图S8）。CNCs是通过使用基本镁碳酸盐前驱体并采用原位MgO模板法制备的，具有三维层次结构。

硫阴极墨水的制备：首先通过将预混硫粉和CNCs（质量比10:1）在155°C下加热8小时来制备S@CNCs复合材料。然后，通过将瓜尔胶（GG，上海贤鼎生物科技有限公司）和黄原胶（XG，阿拉丁）按质量比3:1在去离子水中搅拌来制备GG-XG粘合剂。最后，将S@CNCs复合材料、CNTs、乙炔黑（玛雅试剂）和GG-XG粘合剂按质量比7:1:1:1在去离子水中搅拌，形成均匀的浆料。

【图文摘取】

【主要结论】

总之，作者成功地利用先进的3D打印技术制造了可定制的锂硫（Li-S）微电池。

这些微电池具有一个嵌入在基于GO的气凝胶框架中的3DP-Li金属阳极和一个容纳在碳纳米笼（CNCs）中的3DP硫阴极。3DP-Li阳极在超高电流密度10 mA cm⁻²下实现了超过900小时的循环，且具有较低的过电位和高达5 mAh cm⁻²的面积容量。3DP-S阴极在其可调厚度达到2.3 mm的情况下，提供了21.9 mAh cm⁻²的超高面积容量。这种3D打印设计还提供了定制电极结构、尺寸和厚度的灵活性。因此，3D打印的Li-S电池在高功率密度3.5 mW cm⁻²下提供了48.4 mWh cm⁻²的超高面积能量密度，达到了目前报道的微电池中的最高水平。此外，这些定制微电池可以通过特别设计的3D打印电池外壳进行无缝包装，具有多种形态因子。如实验证明，定制的3DP Li-S微电池能够为LED灯和可穿戴传感器集成设备供电，这些设备能够检测微小的生理运动，为适应不断变化的微型电子系统及其他领域的设备配置提供了新的可能性。

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