《AFM》:3D打印可拉伸液态镓电池​!-金属3D打印工厂

《AFM》:3D打印可拉伸液态镓电池​!-金属3D打印工厂插图

✅大唐盛世-3D打印一站式服务平台,专注于金属3D打印的设计、加工、定制生产及应用,为新老用户提供钛合金3D打印、不锈钢3D打印、铝合金3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。大唐盛世多年金属3D打印经验,打印精密度高(误差小于0.05mm),售后保证,不满意可重做。

       下一代软质和可拉伸电子产品有望在各个应用领域产生变革性影响,包括健康监测、机器人技术、电子纺织品、柔性显示器和结构电子学。可穿戴式肌电图(EMG)、心电图(ECG)和脑电图(EEG)的应用得到了证明。然而,之前的大多数实现要么连接到外部电源,要么使用电池,这是贴片中最笨重的刚性组件。在过去几年中,科研人员研究了几种用于收集生物医学贴片能量的解决方案。这包括柔性太阳能电池、微生物燃料电池和压电纳米发电机。这些通常与超级电容器结合使用进行存储。然而,与其他薄膜能量收集/存储解决方案相比,印刷电池的面容至少高出一个数量级,但与刚性纽扣电池相比,面功率密度低一个数量级。这既显示了印刷电池的潜力,也显示了进一步研究对于下一代无系留生物监测贴片,电子纺织品和其他物联网(IoT)设备的重要性。尽管软质和可伸缩电池的发展很快,但目前的制造技术主要使用人工处理和模板/丝网印刷。

来自葡萄牙科英布拉大学的学者首次引入了3D打印的银-镓电池,通过随后打印四种无烧结物的复合材料:可拉伸液态金属(LM)Egain-Ag-Styene-异戊二烯嵌段共聚物(SIS)和碳-SIS集电体、Ag2O-SIS正极以及一种新型的Ga-C-SIS负极。其无需烧结、打印速度更快并与热敏性基材兼容。虽然Ga-C-SIS是固体状的,印刷后不会产生污渍,但它与电解液接触后会产生液体界面。这导致了一种自给自足和自聚集的机制,将更多的镓带到表面并延缓了死表面的形成。本文测得≈19.4mAhm−2创纪录的面积容量,以及出色的可伸缩性(>130%的应变),这些特性使银-镓电池成为银-锌电池的极佳替代品。令人惊讶的是,与模板印刷相比,数字印刷的面积容量高出3倍,这是因为表面暴露的镓更多。所需的电压和电流输出可以通过打印多个电池单元并将它们串联/并联来定制。此外,还展示了在生物监测电子纺织品上打印传感器、电极、电池和互连以同时监测心电图、体温和呼吸的方法。相关文章以“3D Printed Stretchable Liquid Gallium Battery”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202113232

《AFM》:3D打印可拉伸液态镓电池​!

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图 1.A)镓碳SIS数字印刷油墨的制备:i,ii)首先CB在甲苯的帮助下与SIS溶液混合; iii,iv)加入60℃熔化的镓,并与溶液iv)Ga-C-SIS可印刷糊状物混合。B)当电池放电时,镓转化为氧化镓(III),而氧化银变成金属银。电子从负极流向正极。C)数码印刷银镓电池:i,vi)挤出打印机沉积材料ii,v)印刷第1CC.iii,vi)印刷第2CC.iv)打印电极;vii)放置电解质。D)碳在负极中的作用:i)不同CB:Ga比的镓电极的片状电阻测量;ii)示意图,说明CB在镓颗粒渗透中的作用。E)本文打印的2个电池,每个电池有6个电池并联和串联。每个电池有3个并联的电池单元和2个串联的电池。

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图 2.A)银-镓电池中的第一放电曲线。B) 模板印刷电池和数字印刷电池在不同电流下显示的电压峰值。C)在伸展的同时放电电池。D)比较模板印刷电池、拉伸电池和数字印刷电池的容量值。E)区域容量,以及可伸缩电池中最先进的工作的最大拉伸性。F) 开路时出电。电池需要大约13天才能彻底放电。G)比较模板和数字印刷镓电极的光学图像:H)电池的可充电性:i)电池在0.4 mA cm−2下执行100次循环;ii)来自i)中循环子集的放大图像。

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图 3. 镓-碳-SIS电极的SEM和EDS。A) 新鲜电极 B) 与电解质接触后的电极。C) 电池放电后 D) 经过 100 次充放电循环。在所有图像A,B,C,D中:i)SE显微镜图像;ii)镓元素强度的彩色图;iii)氧元素强度;iv)碳元素强度。

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图 4.本文采用Ga-C-SIS电极的模型。A)在接触电解质之前。B)与电解质接触后,形成液体聚集界面。C)电化学循环后。

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图 5.A) 两节多节电池以 3 × 2 排列方式并联和串联的原理图设计。使用挤出打印机打印的所有层。B)使用印刷的银镓电池和软水凝胶去照亮LED。C)生物监测可穿戴“WoW皮带”,可获取体温、呼吸和心脏监测。D)用于WoW皮带的印刷电池的原型,然后集成到纺织品中。e)集成到皮带中后,提供22小时续航。

      本文首次展示了一款全数字印刷的可拉伸电池,它结合了高面积容量(19.4 mAh m−2)和130%的最大应变。本文介绍的Ag-Ga电池由四种可数字印刷和可拉伸的复合材料组成:Ag-Egain-SIS第一CC、CB-SIS第二CC、Ag2O-SIS正极和一种新型的Ga-C-SIS负极。与本文以前使用锌-SIS电极相比,Ga-C-SIS电极表现出了更好的性能组合,包括更高的面积容量、更高的最大应变容限以及数字印刷的可能性。通过挤压沉积的数字印刷电池,与使用相同材料复合材料的模板印刷版本的电池相比,表现出相当高的面积电容和更高的电化学循环稳定性。本文发现,与模板印刷相比,数字印刷在电极表面暴露了更多的镓,从而显著提高了面积容量和电化学循环。

(责任编辑:admin)

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