Joule: 用于柔性電子設備的高性能可印刷AgO-Zn可充電電池
【引言】
柔性電子器件由于具有優異的型變性和便攜性在信息，醫療，能源，通訊等行業引起了廣泛的關注。三星折疊屏手機和華為mate X等這一類的電子產品也進入到我們的日常生活中。因此，需要開發與其相匹配和集成的自供電柔性能量儲存方案。有一部分研究通過電池結構設計賦予電池柔韌性和可拉伸性。其他研究則集中于通過材料創新來開發本征具有柔性的電池部件。然而，由于可穿戴柔性電子市場的指數級增長，迫切需要一種可擴展，低成本和高性能的柔性電池技術為每年生產的數千萬種設備提供實用的儲能解決方案。許多柔性電池研究依賴于復雜，低產量和高成本的制造過程，因此實用性受到限制，這阻礙了其從實驗室原型到商品化的轉型。使用低成本的厚膜印刷技術，可以使用傳統的的絲網印刷或刮墨刀澆鑄設備將柔性電池組件逐張或卷對卷印刷，從而實現了柔性電池的低成本批量生產。然而，研究中或已經商業化的可印刷的薄膜電池普遍電量低，阻抗大，無法為很多功能復雜的小型電子產品供電。
【成果簡介】
近日，美國加州大學圣地亞哥分校的孟穎教授團隊開發了一種可印刷的聚合物基AgO-Zn電池，該電池兼具柔韌性，可充電性，高面容量和低阻抗等特點。使用彈性體復合材料制作可印刷油墨，該電池可以通過高通量，低成本的逐層絲網印刷工藝來制造集流體，電極和隔膜，并以堆疊結構真空密封。電池的尺寸和容量是可定制的，首次使用時可獲得的最高單位面積容量為54 mAh/cm2。通過先進的X射線斷層掃描，電化學阻抗譜和嚴格的變形測試來表征電池。這些電池用于為帶有柔性E-ink（電子墨水）顯示的小型無線系統提供能量，該系統需要大電流消耗，并且在相同的脈沖放電條件下，與商用鋰扣式電池相比，其表現出卓越的性能。研發的電池為各種電子設備提供了實用的解決方案，并對高性能柔性電池的未來發展具有重要意義。相關研究成果“High Performance Printed AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics”為題發表在Joule上。
【圖文導讀】
圖一柔性，可充電和大容量AgO-Zn電池的制備過程
（A）逐層印刷和真空密封組裝過程的示意圖。
（B）AgO-Zn電池單元結構的示意圖。
（C）不同定制尺寸的組裝電池的光學圖像。
（D）印刷的電池的柔韌性展示。
（E）由柔性AgO-Zn電池供電的柔性電子墨水顯示系統的光學圖像。
圖二印刷電池的形貌和電化學性能
（A）具有（i）AgO電極，（ii）Zn電極，（iii）纖維素隔膜和（iv）TiO2隔膜層的印刷的光學圖像。
（B）通過SEM和Micro-CT獲得的電池的相應層的顯微圖像。
（C）凝膠電解質的電導率隨溫度的變化。
（D）3電極體系下(i) 全電池與（ii）正負單電極在電池工作區間內的CV曲線。
圖三. AgO-Zn一次電池的電化學性能
（A）以1 mA電流放電時，用1層活性材料印刷的各種尺寸電池的容量。
（B）不同大小電池的相應阻抗。
（C）2×2 cm2大小電池從1層到8層活性物質負載的電池容量。
（D）帶有不同活性物質負載層數的電池阻抗。
圖四可充電AgO-Zn電池的電化學性能
（A）充電為0.2 C且放電倍率為0.2、0.5和1 C的變化時的印刷電池的循環性能。
（B）不同放電倍率率下電池的電壓-容量曲線。
（C）AgO-Zn電池在不同循環次數下的電壓-容量曲線。
（D）在50個循環中，AgO-Zn的DCIR。
（E，F）Zn負極和AgO正極在3電極體系中在一個放電-充電循環內的EIS曲線變化。
圖五AgO-Zn電池在各種機械變形下的性能
（A）1×5 cm2電池以直徑1 cm向電池正、負極方向彎曲180度與360度的示意圖與照片。
（B）電池沿長軸360度扭曲的示意圖與照片。
（C）電池在1 mA放電下電壓隨不同程度、方向彎曲與扭曲的電壓變化。
（D）電池在經過兩個不同方向500次彎曲后充放電的循環性能。
（E）電池在充放電過程中重復彎曲的示意圖。
（F）電池在重復彎曲(4次/分鐘)時充放電的電壓-時間曲線。
（G）電池彎曲后的整體斷層掃描圖。
（H）電池彎曲后沿長軸截面的斷層掃描圖，顯示彎曲后的電池無損傷或電極剝離現象。
?圖六.柔性AgO-Zn電池為柔性電子墨水顯示系統供電
（A）柔性電子墨水顯示屏的光學圖像。
（B）具有集成藍牙（BT）的電子墨水顯示系統在不同狀態下的功率損耗。
（C）模擬藍牙顯示系統放電功率的具有變化的脈沖和基線（紅色）和相應的電池電壓響應（黑色）的模擬放電電流曲線。
（D）串聯連接的2個電池的完整放電曲線。
【小結】
作者展示了一種基于可充電轉換化學體系的柔性且高性能的AgO-Zn電池。基于可拉伸彈性體粘結劑和熱塑性彈性體基材的特殊配方油墨，可以使用低成本，高產量的絲網印刷技術逐層印刷電池，并通過熱封和真空封合工藝進行組裝。印刷的電池可兼容各種尺寸的電池和面容量，并可實現高達54 mAh/cm2的面容量。該電池在每個放電充電周期內均表現出低阻抗，同時在多個周期內均保持較低的內阻，表明在電極氧化還原反應過程中，電極形態很穩定且是可逆的變化。作為用于為各種柔性，可穿戴電子設備供電的柔性儲能裝置，電池的性能已通過嚴格的機械測試進行了評估，證明該電池具有出色的耐久，可抵抗反復的大形變的彎曲和扭曲。所制造的電池用于具有藍牙連接功能的定制柔性電子墨水顯示系統的供電，在電子設備所需的大電流脈沖放電條件下，其性能超過了同額定容量的商用紐扣電池（見原文SI圖）。這項工作對開發用于下一代電子設備的新型能量存儲設備具有巨大的意義。
文獻鏈接：“High Performance Printed AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics”(Joule.DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.008)
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【通訊作者簡介】
孟穎教授簡介：加州大學圣地亞哥分校能源科技Zable冠名教授，納米工程學院教授，UCSD可持續動力與能源中心主任。主要從事能源轉換與存儲器件（鋰離子電池，鋰金屬電池，鋰空氣電池，鈉離子電池，全固態電池，太陽能電池）的研究。在Science、Nature、Nature Energy等學術刊物上發表論文210余篇，獲得他人引用20000余次。
Joseph Wang教授簡介：加州大學圣地亞哥分校SAIC冠名教授， 納米工程學院杰出教授，UCSD可穿戴傳感器中心主任。連續數年上榜科睿唯安全球高被引科學家。同時從事電化學傳感器及可穿戴設備（傳感器，電池，能源收集器，生物燃料電池等）方向研究與微米納米馬達機器人方向研究。在Nature Biotechnology, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Science Robotics 等各類高影響力雜志發表多篇研究論文。至今已著作數本學術書籍，發表論文1150余篇，被引用124,000余次， H因子173。
【第一作者介紹】
尹鹿
2017年本科畢業于美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）化學工程專業，并繼續在該校攻讀納米工程專業博士學位。2015年加入UCSD Joseph Wang教授課題組，從事柔性可印刷電子的研究，主要研究方向為開發柔性銀鋅電池，生物燃料電池等可穿戴能源器件，以及開發自供能的多組件可穿戴系統。至今以第一作者身份在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Small 等期刊發表多篇文章。
Jonathan Scharf
2016年本科畢業于麻省大學阿默斯特分校電子工程專業并加入UCSD納米工程專業攻讀博士學位，并于2018年加入孟穎教授課題組。主要研究方向為硅太陽能材料，柔性鋅電池及固態電解液電池。
?【課題組介紹】
孟穎課題組網站 http://smeng.ucsd.edu/
Joseph Wang課題組網站 http://joewang.ucsd.edu/
【相關文獻】
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