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近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)，提出了通過(guò)油墨直寫(xiě)成型和熔融沉積成型兩種3D打印方法，構(gòu)建全打印可定制水系鋅離子雜化電容器的新策略。團(tuán)隊(duì)利用該策略，構(gòu)筑了具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的高面容量正極，以及無(wú)枝晶穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的鋅金屬負(fù)極，制備出高比能、長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定的鋅離子雜化電容器。
隨著定制化電子產(chǎn)品使用的增加，發(fā)展高能量密度且形狀可定制的電化學(xué)儲(chǔ)能器件已逐漸成為清潔能源轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)的迫切需求。鋅離子電化學(xué)儲(chǔ)能器件因其低氧化還原電位(-0.76 V)、高理論電容(823 mA h/g)、高安全性而引起了廣泛關(guān)注。鋅離子雜化電容器有效結(jié)合了鋅離子電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度。然而，水系鋅離子雜化電容器仍存在面容量較低、鋅枝晶生長(zhǎng)及器件形狀因子的限制，阻礙了其在實(shí)際應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。
本工作中，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)油墨直寫(xiě)成型和熔融沉積成型兩種3D打印方法構(gòu)建了全打印鋅離子雜化電容器，包括多孔微晶格正極、無(wú)枝晶的金屬鋅負(fù)極、凝膠電解質(zhì)和塑料封裝。其中，鋅負(fù)極上打印的金屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有效地抑制了鋅枝晶的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)了鋅離子雜化電容器的循環(huán)壽命(10000次循環(huán)后的電容保持率為100%)。分級(jí)多孔正極提高了活性材料的面積負(fù)載，從而提高了鋅離子雜化電容器的面積電容，所制備的鋅離子雜化電容器表現(xiàn)出4259 mF/m2的高面電容和1514 μWh/cm2的高面能量密度。團(tuán)隊(duì)結(jié)合熔融沉積成型3D打印技術(shù)，在構(gòu)建鋅離子雜化電容器的基礎(chǔ)上，構(gòu)筑出了與電極結(jié)構(gòu)相符的封裝結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了形狀可定制的全3D打印鋅離子雜化電容器。該工作展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在可定制化儲(chǔ)能器件的應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究成果以“All 3D Printing Shape-conformable Zinc Ion Hybrid Capacitors with Ultrahigh Areal Capacitance and Improved Cycle Life”為題，于近日發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials)上。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導(dǎo)地方專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。(文/圖 劉瑜、鄭雙好)
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