Joule: 用于柔性电子设备的高性能可印刷AgO-Zn可充电电池

材料人

【引言】

柔性电子器件由于具有优异的型变性和便携性在信息，医疗，能源，通讯等行业引起了广泛的关注。三星折叠屏手机和华为mate X等这一类的电子产品也进入到我们的日常生活中。因此，需要开发与其相匹配和集成的自供电柔性能量储存方案。有一部分研究通过电池结构设计赋予电池柔韧性和可拉伸性。其他研究则集中于通过材料创新来开发本征具有柔性的电池部件。然而，由于可穿戴柔性电子市场的指数级增长，迫切需要一种可扩展，低成本和高性能的柔性电池技术为每年生产的数千万种设备提供实用的储能解决方案。许多柔性电池研究依赖于复杂，低产量和高成本的制造过程，因此实用性受到限制，这阻碍了其从实验室原型到商品化的转型。使用低成本的厚膜印刷技术，可以使用传统的的丝网印刷或刮墨刀浇铸设备将柔性电池组件逐张或卷对卷印刷，从而实现了柔性电池的低成本批量生产。然而，研究中或已经商业化的可印刷的薄膜电池普遍电量低，阻抗大，无法为很多功能复杂的小型电子产品供电。

【成果简介】

近日，美国加州大学圣地亚哥分校的孟颖教授团队开发了一种可印刷的聚合物基AgO-Zn电池，该电池兼具柔韧性，可充电性，高面容量和低阻抗等特点。使用弹性体复合材料制作可印刷油墨，该电池可以通过高通量，低成本的逐层丝网印刷工艺来制造集流体，电极和隔膜，并以堆叠结构真空密封。电池的尺寸和容量是可定制的，首次使用时可获得的最高单位面积容量为54 mAh/cm²。通过先进的X射线断层扫描，电化学阻抗谱和严格的变形测试来表征电池。这些电池用于为带有柔性E-ink（电子墨水）显示的小型无线系统提供能量，该系统需要大电流消耗，并且在相同的脉冲放电条件下，与商用锂扣式电池相比，其表现出卓越的性能。研发的电池为各种电子设备提供了实用的解决方案，并对高性能柔性电池的未来发展具有重要意义。相关研究成果“High Performance Printed AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics”为题发表在Joule上。

【图文导读】

图一柔性，可充电和大容量AgO-Zn电池的制备过程

（A）逐层印刷和真空密封组装过程的示意图。

（B）AgO-Zn电池单元结构的示意图。

（C）不同定制尺寸的组装电池的光学图像。

（D）印刷的电池的柔韧性展示。

（E）由柔性AgO-Zn电池供电的柔性电子墨水显示系统的光学图像。

图二印刷电池的形貌和电化学性能

（A）具有（i）AgO电极，（ii）Zn电极，（iii）纤维素隔膜和（iv）TiO₂隔膜层的印刷的光学图像。

（B）通过SEM和Micro-CT获得的电池的相应层的显微图像。

（C）凝胶电解质的电导率随温度的变化。

（D）3电极体系下(i) 全电池与（ii）正负单电极在电池工作区间内的CV曲线。

图三 AgO-Zn一次电池的电化学性能

（A）以1 mA电流放电时，用1层活性材料印刷的各种尺寸电池的容量。

（B）不同大小电池的相应阻抗。

（C）2×2 cm²大小电池从1层到8层活性物质负载的电池容量。

（D）带有不同活性物质负载层数的电池阻抗。

图四可充电AgO-Zn电池的电化学性能

（A）充电为0.2 C且放电倍率为0.2、0.5和1 C的变化时的印刷电池的循环性能。

（B）不同放电倍率率下电池的电压-容量曲线。

（C）AgO-Zn电池在不同循环次数下的电压-容量曲线。

（D）在50个循环中，AgO-Zn的DCIR。

（E，F）Zn负极和AgO正极在3电极体系中在一个放电-充电循环内的EIS曲线变化。

图五 AgO-Zn电池在各种机械变形下的性能

（A）1×5 cm²电池以直径1 cm向电池正、负极方向弯曲180度与360度的示意图与照片。

（B）电池沿长轴360度扭曲的示意图与照片。

（C）电池在1 mA放电下电压随不同程度、方向弯曲与扭曲的电压变化。

（D）电池在经过两个不同方向500次弯曲后充放电的循环性能。

（E）电池在充放电过程中重复弯曲的示意图。

（F）电池在重复弯曲(4次/分钟)时充放电的电压-时间曲线。

（G）电池弯曲后的整体断层扫描图。

（H）电池弯曲后沿长轴截面的断层扫描图，显示弯曲后的电池无损伤或电极剥离现象。

图六柔性AgO-Zn电池为柔性电子墨水显示系统供电

（A）柔性电子墨水显示屏的光学图像。

（B）具有集成蓝牙（BT）的电子墨水显示系统在不同状态下的功率损耗。

（C）模拟蓝牙显示系统放电功率的具有变化的脉冲和基线（红色）和相应的电池电压响应（黑色）的模拟放电电流曲线。

（D）串联连接的2个电池的完整放电曲线。

【小结】

作者展示了一种基于可充电转换化学体系的柔性且高性能的AgO-Zn电池。基于可拉伸弹性体粘结剂和热塑性弹性体基材的特殊配方油墨，可以使用低成本，高产量的丝网印刷技术逐层印刷电池，并通过热封和真空封合工艺进行组装。印刷的电池可兼容各种尺寸的电池和面容量，并可实现高达54 mAh/cm²的面容量。该电池在每个放电充电周期内均表现出低阻抗，同时在多个周期内均保持较低的内阻，表明在电极氧化还原反应过程中，电极形态很稳定且是可逆的变化。作为用于为各种柔性，可穿戴电子设备供电的柔性储能装置，电池的性能已通过严格的机械测试进行了评估，证明该电池具有出色的耐久，可抵抗反复的大形变的弯曲和扭曲。所制造的电池用于具有蓝牙连接功能的定制柔性电子墨水显示系统的供电，在电子设备所需的大电流脉冲放电条件下，其性能超过了同额定容量的商用纽扣电池（见原文SI图）。这项工作对开发用于下一代电子设备的新型能量存储设备具有巨大的意义。

文献链接：“High Performance Printed AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics”(Joule.DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.008)

本文由微观世界供稿。

【通讯作者简介】

孟颖教授简介：加州大学圣地亚哥分校能源科技Zable冠名教授，纳米工程学院教授，UCSD可持续动力与能源中心主任。主要从事能源转换与存储器件（锂离子电池，锂金属电池，锂空气电池，钠离子电池，全固态电池，太阳能电池）的研究。在Science、Nature、Nature Energy等学术刊物上发表论文210余篇，获得他人引用20000余次。

Joseph Wang教授简介：加州大学圣地亚哥分校SAIC冠名教授，纳米工程学院杰出教授，UCSD可穿戴传感器中心主任。连续数年上榜科睿唯安全球高被引科学家。同时从事电化学传感器及可穿戴设备（传感器，电池，能源收集器，生物燃料电池等）方向研究与微米纳米马达机器人方向研究。在Nature Biotechnology, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Science Robotics 等各类高影响力杂志发表多篇研究论文。至今已著作数本学术书籍，发表论文1150余篇，被引用124,000余次， H因子173。

【第一作者介绍】

尹鹿

2017年本科毕业于美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）化学工程专业，并继续在该校攻读纳米工程专业博士学位。2015年加入UCSD Joseph Wang教授课题组，从事柔性可印刷电子的研究，主要研究方向为开发柔性银锌电池，生物燃料电池等可穿戴能源器件，以及开发自供能的多组件可穿戴系统。至今以第一作者身份在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Small 等期刊发表多篇文章。

Jonathan Scharf

2016年本科毕业于麻省大学阿默斯特分校电子工程专业并加入UCSD纳米工程专业攻读博士学位，并于2018年加入孟颖教授课题组。主要研究方向为硅太阳能材料，柔性锌电池及固态电解液电池。

【课题组介绍】

孟颖课题组网站 http://smeng.ucsd.edu/

Joseph Wang课题组网站 http://joewang.ucsd.edu/

【相关文献】

All‐Printed, Stretchable Zn‐Ag₂O Rechargeable Battery via Hyperelastic Binder for Self‐Powering Wearable Electronics - Kumar - 2017 - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library

Deposition of ZnO on bismuth species towards a rechargeable Zn-based aqueous battery - Physical Chemistry Chemical Physics (RSC Publishing)

An epidermal alkaline rechargeable Ag–Zn printable tattoo battery for wearable electronics - Journal of Materials Chemistry A (RSC Publishing)

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