激光刻蝕芯片級柔性微電池

【研究背景】柔性、便攜式和可穿戴電子設(shè)備在智能服裝、可穿戴設(shè)備和植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。市場上迫切需要可擴(kuò)展、低成本、高性能的微型柔性儲能技術(shù)，為這些設(shè)備提供可靠的儲能解決方案。因此，為了適應(yīng)下一代柔性電子器件的發(fā)展，開發(fā)高性能柔性儲能器件成為近年來的研究熱點(diǎn)。鋅離子電池由于其豐富的鋅陰極材料、低成本以及其特殊的電解質(zhì)系統(tǒng)作為可穿戴和植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的柔性儲能設(shè)備具有良好的適應(yīng)性，因此具有極高的潛力。然而，鋅陽極中析氫反應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致陽極材料在柔性襯底上易脫落，而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。采用激光刻蝕技術(shù)設(shè)計(jì)了一種超長壽命的芯片級柔性微型MnO2//Zn電池，造新地引入了一種抑制析氫的碳漿來解決循環(huán)過程中鋅陽極的脫離問題。電極中碳層有效地提高了反應(yīng)過程中的析氫電位，改善了鋅陽極剝落的問題，在穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】1.芯片級微型MnO2//Zn電池新型制備技術(shù)；2.Zn金屬陽極在水系電解液的析氫行為使之與襯底脫落，導(dǎo)致器件失效?！狙芯克悸菲饰觥?.采用激光刻蝕技術(shù)構(gòu)筑芯片級柔性微型MnO2//Zn電池。2.造新地引入一種抑制析氫的碳漿來解決循環(huán)過程中鋅陽極的脫離問題。3.

通過實(shí)驗(yàn)與理論研究表明電極中碳層有效地提高了反應(yīng)過程中的析氫電位，改善了鋅陽極剝落的問題，在穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！緢D文簡介】要點(diǎn)1.利用激光刻蝕技術(shù)制備芯片級微型柔性電池圖1中可以看到制備微型鋅離子電池的方法，設(shè)計(jì)了叉指電極結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行大面積制備，在柔性儲能器件中表現(xiàn)出巨大潛力。圖1.激光刻蝕制備MnO2//Zn微型鋅離子電池流程圖。要點(diǎn)2.通過測試不同組電池比較獲得電池最佳性能通過測試不同沉積時(shí)間下的電池CV、GCD以及倍率性能對比，獲得最佳沉積時(shí)間為600s得到的電池具有最好的電化學(xué)性能。對最優(yōu)條件下的電池進(jìn)行循環(huán)壽命測試，在不同電流密度下電池的放電比容量緩慢減小，體現(xiàn)良好的穩(wěn)定性，并且在測試過程中，庫倫效率為99.8%，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。圖2.a)MZIB模型圖b)CV曲線，c)GCD曲線，d)在不同沉積時(shí)間下獲得的MnO2//ZnMZIB倍率曲線，e)CV曲線，f)倍率，g)MnO2//Zn-600與C/Au//C/AuMZIB的循環(huán)穩(wěn)定壽命圖，h)最近報(bào)告中鋅電池容量的比較。要點(diǎn)3.研究不同界面的產(chǎn)氫勢壘來分析穩(wěn)定性，探究電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測試了Au表面、Au/PET界面、Au/C界面和C/PET界面的析氫勢壘，其反應(yīng)了對水分解的難易程度，析氫勢壘能量越低，越易發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；其中PET/Au界面(0.08eV)和Au表面(0.09eV)的勢壘較低，在電化學(xué)循環(huán)過程中易發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣從而造成電極材料脫落；而PET/C界面(1.23eV)和C/Au(1.34eV)界面勢壘較高，不易發(fā)生水解反應(yīng)，具有較好的穩(wěn)定性。通過PET/C、PET/Au和PET/C/Au的HER極化圖，可以看到PET/C/Au的HER性能最差，具有較高的過電勢；從不同基底的Tafel斜率可以看到在相同動(dòng)力學(xué)電流密度下，PET/C/Au的催化過程具有最高的過電勢，不易發(fā)生析氫反應(yīng)。圖3.a)Au/C原子模型，b)Au和C層之間的電荷轉(zhuǎn)移，c)Au/PET表面和C/PET表面對H2O的親和力，e)Au表面析氫勢壘、Au/PET界面、C界面和C/PET界面，f)不同襯底的LSV曲線，MnO2//PET/Aug)和PET/C/Auh)襯底制備的Zn-600微電池的光學(xué)和掃描電鏡圖像?！疽饬x分析】本文通過激光刻蝕技術(shù)在柔性PET上制備Au/C/PET叉指電極，分別沉積MnO2和Zn納米陣列結(jié)構(gòu)作為正極和負(fù)極活性材料，并利用PAM凝膠電解質(zhì)封