激光刻蚀芯片级柔性微电池

【研究背景】柔性、便携式和可穿戴电子设备在智能服装、可穿戴设备和植入式医疗设备等领域有着广泛的应用前景。市场上迫切需要可扩展、低成本、高性能的微型柔性储能技术，为这些设备提供可靠的储能解决方案。因此，为了适应下一代柔性电子器件的发展，开发高性能柔性储能器件成为近年来的研究热点。锌离子电池由于其丰富的锌阴极材料、低成本以及其特殊的电解质系统作为可穿戴和植入式医疗设备领域的柔性储能设备具有良好的适应性，因此具有极高的潜力。然而，锌阳极中析氢反应的存在会导致阳极材料在柔性衬底上易脱落，而影响电池的循环稳定性。采用激光刻蚀技术设计了一种超长寿命的芯片级柔性微型MnO2//Zn电池，造新地引入了一种抑制析氢的碳浆来解决循环过程中锌阳极的脱离问题。电极中碳层有效地提高了反应过程中的析氢电位，改善了锌阳极剥落的问题，在稳定电极结构方面发挥了关键作用。【拟解决的关键问题】1.芯片级微型MnO2//Zn电池新型制备技术；2.Zn金属阳极在水系电解液的析氢行为使之与衬底脱落，导致器件失效。【研究思路剖析】1.采用激光刻蚀技术构筑芯片级柔性微型MnO2//Zn电池。2.造新地引入一种抑制析氢的碳浆来解决循环过程中锌阳极的脱离问题。3.

通过实验与理论研究表明电极中碳层有效地提高了反应过程中的析氢电位，改善了锌阳极剥落的问题，在稳定电极结构方面发挥了关键作用。【图文简介】要点1.利用激光刻蚀技术制备芯片级微型柔性电池图1中可以看到制备微型锌离子电池的方法，设计了叉指电极结构，可进行大面积制备，在柔性储能器件中表现出巨大潜力。图1.激光刻蚀制备MnO2//Zn微型锌离子电池流程图。要点2.通过测试不同组电池比较获得电池最佳性能通过测试不同沉积时间下的电池CV、GCD以及倍率性能对比，获得最佳沉积时间为600s得到的电池具有最好的电化学性能。对最优条件下的电池进行循环寿命测试，在不同电流密度下电池的放电比容量缓慢减小，体现良好的稳定性，并且在测试过程中，库伦效率为99.8%，表现出优异的电化学性能。图2.a)MZIB模型图b)CV曲线，c)GCD曲线，d)在不同沉积时间下获得的MnO2//ZnMZIB倍率曲线，e)CV曲线，f)倍率，g)MnO2//Zn-600与C/Au//C/AuMZIB的循环稳定寿命图，h)最近报告中锌电池容量的比较。要点3.研究不同界面的产氢势垒来分析稳定性，探究电极反应动力学测试了Au表面、Au/PET界面、Au/C界面和C/PET界面的析氢势垒，其反应了对水分解的难易程度，析氢势垒能量越低，越易发生水解反应产生氢气；其中PET/Au界面(0.08eV)和Au表面(0.09eV)的势垒较低，在电化学循环过程中易发生水解反应产生氢气从而造成电极材料脱落；而PET/C界面(1.23eV)和C/Au(1.34eV)界面势垒较高，不易发生水解反应，具有较好的稳定性。通过PET/C、PET/Au和PET/C/Au的HER极化图，可以看到PET/C/Au的HER性能最差，具有较高的过电势；从不同基底的Tafel斜率可以看到在相同动力学电流密度下，PET/C/Au的催化过程具有最高的过电势，不易发生析氢反应。图3.a)Au/C原子模型，b)Au和C层之间的电荷转移，c)Au/PET表面和C/PET表面对H2O的亲和力，e)Au表面析氢势垒、Au/PET界面、C界面和C/PET界面，f)不同衬底的LSV曲线，MnO2//PET/Aug)和PET/C/Auh)衬底制备的Zn-600微电池的光学和扫描电镜图像。【意义分析】本文通过激光刻蚀技术在柔性PET上制备Au/C/PET叉指电极，分别沉积MnO2和Zn纳米阵列结构作为正极和负极活性材料，并利用PAM凝胶电解质封