《AFM》：3D打印可拉伸液態(tài)鎵電池​！

來源：材料科學(xué)與工程

下一代軟質(zhì)和可拉伸電子產(chǎn)品有望在各個應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響，包括健康監(jiān)測、機器人技術(shù)、電子紡織品、柔性顯示器和結(jié)構(gòu)電子學(xué)。可穿戴式肌電圖（EMG）、心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）的應(yīng)用得到了證明。然而，之前的大多數(shù)實現(xiàn)要么連接到外部電源，要么使用電池，這是貼片中最笨重的剛性組件。在過去幾年中，科研人員研究了幾種用于收集生物醫(yī)學(xué)貼片能量的解決方案。這包括柔性太陽能電池、微生物燃料電池和壓電納米發(fā)電機。這些通常與超級電容器結(jié)合使用進行存儲。然而，與其他薄膜能量收集/存儲解決方案相比，印刷電池的面容至少高出一個數(shù)量級，但與剛性紐扣電池相比，面功率密度低一個數(shù)量級。這既顯示了印刷電池的潛力，也顯示了進一步研究對于下一代無系留生物監(jiān)測貼片，電子紡織品和其他物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的重要性。盡管軟質(zhì)和可伸縮電池的發(fā)展很快，但目前的制造技術(shù)主要使用人工處理和模板/絲網(wǎng)印刷。

來自葡萄牙科英布拉大學(xué)的學(xué)者首次引入了3D打印的銀-鎵電池，通過隨后打印四種無燒結(jié)物的復(fù)合材料：可拉伸液態(tài)金屬(LM)Egain-Ag-Styene-異戊二烯嵌段共聚物(SIS)和碳-SIS集電體、Ag2O-SIS正極以及一種新型的Ga-C-SIS負極。其無需燒結(jié)、打印速度更快并與熱敏性基材兼容。雖然Ga-C-SIS是固體狀的，印刷后不會產(chǎn)生污漬，但它與電解液接觸后會產(chǎn)生液體界面。這導(dǎo)致了一種自給自足和自聚集的機制，將更多的鎵帶到表面并延緩了死表面的形成。本文測得≈19.4mAhm−2創(chuàng)紀錄的面積容量，以及出色的可伸縮性(>130%的應(yīng)變)，這些特性使銀-鎵電池成為銀-鋅電池的極佳替代品。令人驚訝的是，與模板印刷相比，數(shù)字印刷的面積容量高出3倍，這是因為表面暴露的鎵更多。所需的電壓和電流輸出可以通過打印多個電池單元并將它們串聯(lián)/并聯(lián)來定制。此外，還展示了在生物監(jiān)測電子紡織品上打印傳感器、電極、電池和互連以同時監(jiān)測心電圖、體溫和呼吸的方法。相關(guān)文章以“3D Printed Stretchable Liquid Gallium Battery”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113232

圖 1.A）鎵碳SIS數(shù)字印刷油墨的制備：i，ii）首先CB在甲苯的幫助下與SIS溶液混合; iii，iv）加入60℃熔化的鎵，并與溶液iv）Ga-C-SIS可印刷糊狀物混合。B）當電池放電時，鎵轉(zhuǎn)化為氧化鎵（III），而氧化銀變成金屬銀。電子從負極流向正極。C）數(shù)碼印刷銀鎵電池：i，vi）擠出打印機沉積材料ii，v）印刷第1CC.iii，vi）印刷第2CC.iv）打印電極;vii）放置電解質(zhì)。D）碳在負極中的作用：i）不同CB：Ga比的鎵電極的片狀電阻測量;ii）示意圖，說明CB在鎵顆粒滲透中的作用。E）本文打印的2個電池，每個電池有6個電池并聯(lián)和串聯(lián)。每個電池有3個并聯(lián)的電池單元和2個串聯(lián)的電池。

圖 2.A）銀-鎵電池中的第一放電曲線。B） 模板印刷電池和數(shù)字印刷電池在不同電流下顯示的電壓峰值。C）在伸展的同時放電電池。D）比較模板印刷電池、拉伸電池和數(shù)字印刷電池的容量值。E）區(qū)域容量，以及可伸縮電池中最先進的工作的最大拉伸性。F） 開路時出電。電池需要大約13天才能徹底放電。G）比較模板和數(shù)字印刷鎵電極的光學(xué)圖像：H）電池的可充電性：i）電池在0.4 mA cm−2下執(zhí)行100次循環(huán);ii）來自i)中循環(huán)子集的放大圖像。

圖 3. 鎵-碳-SIS電極的SEM和EDS。A） 新鮮電極 B） 與電解質(zhì)接觸后的電極。C） 電池放電后 D） 經(jīng)過 100 次充放電循環(huán)。在所有圖像A，B，C，D中：i）SE顯微鏡圖像;ii）鎵元素強度的彩色圖;iii）氧元素強度;iv）碳元素強度。

圖 4.本文采用Ga-C-SIS電極的模型。A）在接觸電解質(zhì)之前。B）與電解質(zhì)接觸后，形成液體聚集界面。C）電化學(xué)循環(huán)后。

圖 5.A） 兩節(jié)多節(jié)電池以 3 × 2 排列方式并聯(lián)和串聯(lián)的原理圖設(shè)計。使用擠出打印機打印的所有層。B）使用印刷的銀鎵電池和軟水凝膠去照亮LED。C）生物監(jiān)測可穿戴“WoW皮帶”，可獲取體溫、呼吸和心臟監(jiān)測。D）用于WoW皮帶的印刷電池的原型，然后集成到紡織品中。e）集成到皮帶中后，提供22小時續(xù)航。

本文首次展示了一款全數(shù)字印刷的可拉伸電池，它結(jié)合了高面積容量(19.4 mAh m−2)和130%的最大應(yīng)變。本文介紹的Ag-Ga電池由四種可數(shù)字印刷和可拉伸的復(fù)合材料組成：Ag-Egain-SIS第一CC、CB-SIS第二CC、Ag2O-SIS正極和一種新型的Ga-C-SIS負極。與本文以前使用鋅-SIS電極相比，Ga-C-SIS電極表現(xiàn)出了更好的性能組合，包括更高的面積容量、更高的最大應(yīng)變?nèi)菹抟约皵?shù)字印刷的可能性。通過擠壓沉積的數(shù)字印刷電池，與使用相同材料復(fù)合材料的模板印刷版本的電池相比，表現(xiàn)出相當高的面積電容和更高的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。本文發(fā)現(xiàn)，與模板印刷相比，數(shù)字印刷在電極表面暴露了更多的鎵，從而顯著提高了面積容量和電化學(xué)循環(huán)。