近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團隊，提出了通過油墨直寫成型和熔融沉積成型兩種3D打印方法，構(gòu)建全打印可定制水系鋅離子雜化電容器的新策略。團隊利用該策略，構(gòu)筑了具有分級多孔結(jié)構(gòu)的高面容量正極，以及無枝晶穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的鋅金屬負極，制備出高比能、長循環(huán)穩(wěn)定的鋅離子雜化電容器。
隨著定制化電子產(chǎn)品使用的增加，發(fā)展高能量密度且形狀可定制的電化學儲能器件已逐漸成為清潔能源轉(zhuǎn)化和存儲的迫切需求。鋅離子電化學儲能器件因其低氧化還原電位（-0.76 V）、高理論電容（823 mA h/g）、高安全性而引起了廣泛關(guān)注。鋅離子雜化電容器有效結(jié)合了鋅離子電池和超級電容器的優(yōu)點，可同時實現(xiàn)高能量密度和高功率密度。然而，水系鋅離子雜化電容器仍存在面容量較低、鋅枝晶生長及器件形狀因子的限制，阻礙了其在實際應用中的進一步發(fā)展。
本工作中，該團隊通過油墨直寫成型和熔融沉積成型兩種3D打印方法構(gòu)建了全打印鋅離子雜化電容器，包括多孔微晶格正極、無枝晶的金屬鋅負極、凝膠電解質(zhì)和塑料封裝。其中，鋅負極上打印的金屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有效地抑制了鋅枝晶的生長，延長了鋅離子雜化電容器的循環(huán)壽命（10000次循環(huán)后的電容保持率為100%）。分級多孔正極提高了活性材料的面積負載，從而提高了鋅離子雜化電容器的面積電容，所制備的鋅離子雜化電容器表現(xiàn)出4259 mF/m2的高面電容和1514 μWh/cm2的高面能量密度。團隊結(jié)合熔融沉積成型3D打印技術(shù)，在構(gòu)建鋅離子雜化電容器的基礎上，構(gòu)筑出了與電極結(jié)構(gòu)相符的封裝結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了形狀可定制的全3D打印鋅離子雜化電容器。該工作展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在可定制化儲能器件的應用潛力。
相關(guān)研究成果以“All 3D Printing Shape-conformable Zinc Ion Hybrid Capacitors with Ultrahigh Areal Capacitance and Improved Cycle Life”為題，于近日發(fā)表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。上述工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導地方專項等項目的資助。（文/圖 劉瑜、鄭雙好）
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202200341
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