中国地质大学《Energy Storage Materials》：新突破！DIW直写3D打印多功能可穿戴能源系统

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分类：行业动态
发布时间：2022-12-20 16:27
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2022年11月17日，中国地质大学材化学院田晓聪团队等在《Energy Storage Materials》发表题为All-3D-printed multifunctional wearable energy systems with embodied zinc-ion storage capability and smart responsive effect（全3d打印的兼具锌离子存储能力和智能响应效果的多功能可穿戴能源系统），本研究开发了一种全3d打印的多功能可穿戴能源系统，通过将ZIHC电极与智能响应元件集成，实现智能能量存储和释放，设计并成功制造了一种全3d打印的多功能可穿戴环。

原文链接：

//doi.org/10.1016/j.ensm.2022.11.032

文章简介

将具有智能响应功能的小型可穿戴储能单元集成到多功能可穿戴能源系统中，正成为可穿戴应用的新增长方向。然而，开发一种通用的、有效的、随需应变的多功能可穿戴能源系统策略，将内部能量和智能响应效应协同结合，仍然具有挑战性。本研究报告了一种制造和研究多功能可穿戴能源系统的策略，其中出色的锌离子存储能力和智能响应效应实现了协同体现。在合理调整的平面内，电极从3D打印墨水挤出确保高效的电荷传输，从而出现出色的的电化学行为。通过同样的方法，研究人员进一步将平面内锌离子存储设备与生物兼容响应材料结合起来，构建了精心设计的全3d打印多功能可穿戴能源系统，并将其作为智能能量存储/释放的按需能量环。实现了可穿戴电子器件的稳定能量供应，同时实现了热刺激下电子电路的智能形状变形和开关控制。这项工作为新一代智能多功能可穿戴/柔性能源系统提供了新的灵感。

研究背景

对人机交互和健康监测的现实需求推动了可穿戴式皮肤电子设备的大量出现。为了满足这些电子设备的能量供应需求，平面内柔性储能器件(IF-ESDs)作为电力电子设备可靠且兼容的储能源受到了广泛的关注。平面内器件配置设计可实现高效的电荷存储以及与各种电子器件的直接集成。高安全性、优越的设备能量-功率密度和长寿命是有利的电化学参数，而出色的灵活性和兼容的设备尺寸(如中等厚度和重量)是使IF-ESDs能够理想地集成到可穿戴能源系统的显著特征。

3D打印也被称为增材制造，在过去的几十年里，由于其独特的逐层制造原理和伴随的数字优势，吸引了全世界的关注。直接写墨(Direct ink writing, DIW)是一种基于挤压的3D打印技术，它通过从注射器中挤出3D打印墨水，然后选择性地将油墨沉积到目标基底上，从而创建3D结构，操作简便，材料多样性高。通过这种方法，多种纳米材料被用于可穿戴储能，其中DIW支持的多材料打印也已用于IF-ESDs。尽管通过基于DIW的方法已经报道了一些开创性的锌基IF-ESD，但实现令人满意的器件性能仍然具有挑战性。此外，为促进新能源的发展方向，本研究对未来可穿戴电子和能源行业的综合能源系统进行了展望。

研究内容解读

本研究开发了全3d打印的多功能可穿戴能源系统，具有体现锌离子存储能力和智能响应效果。通过在AC基3D打印墨水中合理引入碳纳米管/还原氧化石墨烯共缠绕网络，实现了基于DIW打印高性能平面内ZIHC电极，揭示了其固有的电化学过程。此外，体现的ZIHC单元具有显著的电化学性能，超过了以前报道的ZIHC。器件电容达到760.0 mF cm，工作电压为1.8 V，能量密度为342.0 pWh cm，循环稳定性好，这可能是由于高效的离子和电子传递、充分的表面接触和稳定的界面化学。此外，通过将ZIHC电极与智能响应元件集成，实现智能能量存储和释放，设计并成功制造了一种全3d打印的多功能可穿戴环。为可穿戴电子设备提供可靠的能量供应。更重要的是，突出的能量传递和智能形状变形之间的协同关系，在热刺激下完成对电子电路的开关控制。该工作可以显著拓宽新一代智能能源系统的应用边界。

图1 (a) GC-A//Zn ZIHC电极3D打印制作工艺示意图。(b)具有锌离子存储能力和形状记忆效应的全3d打印多功能可穿戴能源系统示意图。(c)多功能可穿戴能源系统的示意图，该系统作为直接连接在手指上的环，在热刺激下自动从手指释放并开关电源电子设备。

图2 (a) 3d打印的交叉指型ZIHCs示意图。(b) rGO/ CNT缠绕交流阴极的载流子传输示意图。(c, d) rGO/ CNT缠绕AC阴极的SEM图像。(e, f) 3D打印rGO/ CNT缠绕AC阴极的TEM图像。(g, h) Zn阳极的SEM图像。

图3 (a) 3D打印GC-A阴极的拉曼光谱和(b) Brunauer-Emmett-Teller (BET)曲线。(c) Zn纳米片阳极的XRD图谱。(d)充放电循环后原始GC-A阴极和Zn阳极整体XPS谱的比较。(e)充放电循环后原始GCA阴极和Zn阳极O 1s XPS谱的比较。

图4 (a,b)不同扫描速率、不同3D打印阴极层时GC-A//Zn zihc的CV曲线。(c)不同3D打印阴极层GC-A//Zn ZIHC器件电容比较。(d)不同扫描速率下电容型和电池型的贡献比值。(e) GCD曲线;(f) GC-A//Zn在不同电流密度下的速率能力。(g) Ragone图显示我们的3D打印ZIHC与以前报道的ZIHC之间的比较。(h) GC-A//Zn和G-A//Zn ZIHCs的循环性能。(i)用PLMC和刚性衬底印刷的ZIHC的CV曲线。

图5 (a)显示易于包装和运输特性的示意图。(b,c)多功能可穿戴能源系统工作状态及各种状态示意图。(b)中插入的是获得的多功能可穿戴能源系统的数字图像。(d)直接连接在手指上的套环的数字图像。(e-g)手指在热刺激和其他条件下10 s和60 s后释放环的数字图像。

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