成果简介
结构工程为进一步提高水性镍铁（Ni-Fe）电池的能量密度提供了一种可行且广泛适用的方法，而无需改变电池的基本化学成分。本文，郑州大学孔德志副教授等研究人员在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“3D Printed Ordered Hierarchically-Porous Electrodes for Developing High-Performance Quasi-Solid-State Aqueous Nickel-Iron Batteries”的论文，研究通过直接写入（DIW）三维打印技术合成的基于还原氧化石墨烯（rGO）的高性能水性镍铁电池用三维打印低韧度和超厚有序分层多孔微晶格电极。
值得注意的是，三维打印电极的面积比电容与电极厚度成正比，而重力电容则保持相对恒定，这表明电容性能不受离子扩散的限制，即使在质量负荷水平升高和电极超厚的情况下，也能表现出快速的动力学行为。基于 3 m KOH 水电解质，3D 打印的镍铁合金水电池（厚度：约2 mm）表现出高比电容（约0.353 mAh cm-2）、高体积能量/功率密度（≈1.15 mWh cm-2 at 48.00 mW cm-2）和出色的长期循环性能（5000 次循环后电容保持率约81.25%）。作为一种微型电池器件，厚度为 4 毫米的3D打印准固态镍-锗电池（3DP QSS Ni-Fe）器件仍然表现出 0.525 mAh cm-2 的高等效容量，以及卓越的循环稳定性（10000 次循环后容量保持率81.1%）。前景广阔的三维打印策略为高维结构的可控组装提供了一条新途径，从而为下一代材料和器件的发展铺平了道路。
图文导读
图1、3D 打印基于 rGO 的电极和 3D 打印 Ni-Fe 电池器件的制造过程示意图。
图2.基于 GO 的油墨的流变特性和 3DP 图案的光学图像
图3、3DP NiO/rGO 阳极和 3DP α-Fe2O3@rGO/rGO 阴极的形态特征和机械性能。
图4、a) 3DP GO、3DP NiO/rGO 和 3DP ɑ-Fe2O3@rGO 微晶格电极的 XRD 和 b) 拉曼光谱。c) 3DP NiO/rGO 和 3DP ɑ-Fe2O3@rGO 微晶格电极的 XPS 勘测光谱。3DP NiO/rGO 微晶格电极的 d) Ni 2p、e) O 1 s 和 f) C 1 s 放大 XPS 光谱。3DP ɑ-Fe2O3@rGO 微晶格电极的 g) Fe 2p、h) O 1 s 和 i) C 1 s 的放大 XPS 光谱。
图5、Electrochemical performance of 3DP ɑ-Fe2O3@rGO/rGO electrodes with different thicknesses from 0.4 to 3.2 mm.
图6、3DP镍铁纽扣电池的电化学性能。
图7.3DP QSS-Ni-Fe和f-Ni-Fe器件的电化学性能。
小结
综上所述，利用3D打印ɑ-Fe2O3@rGO/rGO和3D打印NiO/rGO有序分层多孔电极分别作为阳极和阴极，开发了一种新型高性能水性3D打印镍-铁电池。三维打印低曲折分层多孔结构的设计有助于改善厚电极的离子传输动力学，高负载的活性材料为离子在电解液中的附着提供了更多的活性位点，降低了非活性成分的比例，大大提高了电极的比电容及其电池装置的能量密度。重要的是，随着电极厚度的增加，三维打印电极的面积比电容也成比例地增加，而重力电容则基本保持不变，这表明电容性能不受离子扩散的限制，即使在高质量负荷水平和超厚电极的情况下，也能实现快速的动力学响应。因此，制备的厚度为 2 毫米的 3D 打印镍铁合金电池器件具有很高的能量密度（约0.353 mAh cm-2）。同时，该装置可循环使用 5000 次，容量保持率≈81.25%，明显优于基于传统涂层电极的块状镍钴电池。基于 PVA/KOH 凝胶电解质，在 2 mA cm-2 的条件下，厚度为 4 mm 的单个 3DP QSS 镍-铁器件可实现约0.525 mAh cm-2 的高电容，在 10 mA cm-2 条件下循环 10,000 次后，容量保持率可达≈81.1%。此外，多个 3DP QSS Ni-Fe 器件可以串联集成到单个芯片中，进一步提高总输出电压，从而能够为大功率 LED 灯供电。值得注意的是，3DP-QSS-f-NFB 器件在各种弯曲情况下都表现出一致的电化学稳定性。这项研究为利用纳米复合材料系统开发储能器件提供了一种前景广阔的方法，有可能为开发各种高性能、高性价比和安全的储能解决方案奠定基础。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202415480
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