Även om flexibla och töjbara elektronikteknologier har utvecklats med stormsteg under de senaste 10 åren, batterier för att driva dem har lite att komma ikapp. Forskare i Singapore och Kina har nu visat ett "kvasi-solid-state"-batteri – tillverkat av material någonstans mellan en vätska och en fast substans – som kan komprimeras med så mycket som 60 % samtidigt som den bibehåller hög energitäthet och god stabilitet över 10, 000 laddnings-laddningscykler. Batteritillverkningen utnyttjar 3D-utskrift, som, samtidigt som det lockar intresse för att producera komplexa batteristrukturer, har inneburit utmaningar för batterier som kan sträcka sig, squash och böj medan du slår på enheter.

"3D-utskriftsteknik är ett område som utvecklas mycket snabbt, " säger Hui Ying Yang, en materialvetenskaplig forskare vid Singapore University of Technology and Design som ledde forskningen som rapporterades i ACS Nano . Hon förklarar att detta fick henne och hennes kollegor att tillämpa tekniken på sin batteriforskning för snabb prototypframställning, låter dem "producera batterielektroder med vilken godtycklig form som helst, lager och mönster."

Spänningen tätnar

Flingor av grafenoxid (GO) i vattenlösningar har varit ett populärt "bläck"-material eftersom de gör stabila dispersioner och deras reologiska egenskaper (hur de flyter och deformeras) kan justeras till en viss grad. Dock, tillsatser som kalciumjoner, kolnanorör och cellulosananofibrer behövs för att få en GO aerogel med den typ av viskositet en 3-D-skrivare kan arbeta med. Forskning i denna riktning har lett till 3-D-utskrivna ultralätta strukturer med reducerad GO (det vill säga, behandlas för att avlägsna syret så att materialet är mer som grafen) med stor ledningsförmåga och kompressibilitet. Men enbart nanokolstrukturerna lagrar inte elektrokemisk energi, och tillsats av elektrokemiskt aktiva tillsatser till tryckfärgen för att göra ett batteri leder sedan till problem med bläckets reologiska egenskaper.

Istället, Yang och hennes kollegor skrev ut sin nanokolaerogel och deponerade sedan elektrokemiskt aktiva järn- och nickelbaserade nanomaterial till den tryckta strukturen. För att uppnå önskad viskositet för tryckfärgen blandade de GO-flingor med kolnanorör (CNT). De nedsänkte sedan de tryckta gitterstrukturerna i en blandning av ammoniak och sulfater, inklusive nickelsulfat, vilket ledde till bildandet av Ni(OH) ₂ nanoflingor på strukturen. När de behandlade nanokolgittret med järnnitrat och järnklorid, porös αFe ₂ O ₃ nanorod-arrayer växte på ytan av gittret istället.

Uppträder i kläm

Nickel-järn-kvasi-solid-state-batterier har redan väckt intresse på grund av ett antal önskvärda egenskaper, inklusive låg kostnad, hög cyklbarhet och god mekanisk stabilitet. Yang och hennes medarbetare studerade den reologiska och elektrokemiska prestandan hos Ni(OH) ₂ och aFe ₂ O ₃ laddade nanokolstrukturer, justering av strukturdimensionerna och användning av antingen vattenhaltig flytande eller polymergelkaliumhydroxid som en elektrolyt. De kunde demonstrera ett batteri som kunde komprimeras med 60 % och bibehålla utmärkt cykelstabilitet (~91,3 % kapacitetsretentioner efter 10, 000 laddnings-urladdningscykler) och ultrahög energitäthet (28,1 mWh cm ^-3 vid en effekt av 10,6 mW cm ^-3 ). Genom att koppla fyra enheter i serie visade de att enheterna kunde tända en blå LED.

"Vår syntetiska strategi ger inte bara en effektiv metod för tillverkning av komprimerbara batterier genom 3-D-utskrift, men också främja framtida tillämpningar för stresstoleranta flexibla/bärbara elektronikenheter, " säger Yang. Men under utskrift är batteriet lätt skalbart, energitätheten konkurrerar för närvarande inte med kommersiella (icke-komprimerbara) enheter. "Nästa, vi kommer att studera ytterligare de 3-D-tryckta vattenhaltiga uppladdningsbara batterierna med hög energitäthet och hög urladdningsplattform, som Zn-luftbatterier, och så vidare, säger Yang.

Detta forskningsarbete får starkt stöd av SUTD Digital Manufacturing and Design Centre.

© 2020 Science X Network