1成果简介
可充电水溶液锌离子电池具有安全性高、成本低和速率性能优异等优点，因此在储能系统中受到了广泛关注。然而，其不尽人意的平均能量密度和较差的循环性能阻碍了其实际应用。本文，郑州大学孔德志 副教授、信阳师范大学Yongsong Luo、新加坡科技与设计大学Yang Hui Ying教授等在《ADVANCED SCIENCE》期刊发表名为“3D Printed Low-Tortuosity and Ultra-Thick Hierarchical Porous Electrodes for High-Performance Wearable Quasi-Solid-State Zn-VOH Batteries”的论文，研究利用电沉积技术，在三维打印的还原氧化石墨烯/碳纳米管（3DP-rGO/CNTs）微晶格上生长出 V5O12-6H2O （VOH）纳米片阵列和 Zn 纳米片阵列，并分别作为三维打印Zn-VOH水电池的阴极和阳极。
得益于三维打印的低韧度和超厚分层多孔电极，基于VOH的电池型阴极可实现快速的Zn2+反应动力学，而基于Zn的电沉积阳极可实现高度可逆的Zn剥离/电镀。钮扣式三维打印水性Zn-VOH电池具有出色的能量/功率密度（在700W kg-1条件下为364.5Wh kg-1）和超过6500次循环的卓越性能。令人印象深刻的是，一种可定制的三维打印准固态Zn-VOH电池器件被制造出来，该器件具有超高的单倍容量（0.2mA cm-2 时≈17.06mAh cm-2）、长期耐用性（10000次循环后容量保持率约85.6%）和出色的可穿戴特性。这项工作为获得基于三维打印电极的高性能锌离子电池提供了一种新策略，可为各种高性能、低成本和便携式集成储能系统的应用铺平一条新路。
2图文导读
图1、3D打印Zn-VOH电池的制造程序和示意图。VOH@3DP-rGO/CNTs 阴极和 Zn@3DP-rGO/CNTs阳极的制造示意图。
图2、3DP-rGO/CNTs、VOH@3DP-rGO/CNTs 和 Zn@3DP-rGO/CNTs 微晶格电极的形态表征和机械性能。
图3、Zn 在纯Zn 箔和 Zn@3DP-rGO/CNT 上的沉积行为。
图4、3D打印的 Zn-VOH纽扣电池的电化学特性。
图5、VOH@3DP-rGO/CNTs 阴极的电化学反应机理。
图6、3D 打印准固态 Zn-VOH 电池器件的电化学特性。
3小结
总之，通过在三维打印的 rGO/CNTs 混合气凝胶微晶格上均匀电沉积 VOH 纳米片阵列和 Zn 纳米片阵列，分别作为阴极和阳极，开发出了一种可穿戴的准固态 Zn-VOH 水电池。对于 VOH@3DP-rGO/CNTs 阴极，分层的 VOH 纳米片阵列实现了高度可逆和超快的 Zn2+ 插入/萃取过程，结构水有效地屏蔽了 Zn2+ 阳离子与宿主阴离子之间的静电作用，因而具有良好的动力学性能和极高的稳定性。所构建的 Zn@3DP-rGO/CNTs 阳极具有高度有序的空间分层多孔结构和超亲水性表面，能有效改善电场分布，诱导 Zn 均匀沉积，且不会产生 Zn 树枝状生长，这一点通过模拟电解液中 Zn 基电极的电流密度分布和使用原位光学显微镜观察 Zn 镀/剥离过程得到了证实。
此外，基于 3DP-rGO/CNTs 的微晶格电极呈现出丰富的开放式分层多孔结构，为离子/电解质的传输提供了通路，并能适应循环时的体积变化。因此，通过将 VOH@3DP-rGO/CNTs 阴极与 Zn@3DP-rGO/CNTs 阳极相匹配，实现了具有出色的长期稳定性和高容量的 3D 打印 Zn-VOH 电池。3 mAh g-1（0.1 A g-1条件下）、高能量和功率密度（364.5 Wh kg-1，700 W kg-1条件下）以及长循环寿命（1.0Ag-1条件下循环近7000次后，可逆容量维持在约364.5 mAh g-1）。在 PVA/ZnSO4 凝胶电解质的基础上，厚度为 8 毫米的单个 3D 打印准固态 Zn-VOH 电池器件在0.2mA cm-2 条件下可实现≈17.06 mAh cm-2 的超高单倍容量，在3.0mA cm-2 条件下循环 10 000 次后容量保持率高达≈85.6%。此外，多个3D打印的准固态 Zn-VOH 电池器件可串联集成在柔性基板上，以提高整体输出电压，从而点亮大功率 LED 灯条。这种 3D 打印 Zn-VOH 电池系统具有电化学性能优异、安全性高、易于组装和灵活性高等特点，有望用于柔性电子设备和大规模储能应用。
文献： 
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