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喷墨印刷制备硅负极

随着无线设备的小型化,对电池的要求也越来越严格。在提高电池能量密度的同时,还要尽可能的减小电池尺寸。薄膜电池具有比能量高、功率密度高、离子扩散距离短以及固有柔性的特点,所以集众多优点于一身的薄膜电池也许是较好的选择。薄膜电池可由薄膜生长技术如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或喷墨印刷制成。其中,喷墨印刷最具应用前景。通过喷在顶部的层数进行调节,可精确地控制薄膜厚度。另外,喷墨印刷具有优于其他薄膜制造技术的许多优点,包括易用性、成本效益低、节省材料、可扩展性以及容易沉积图案等。加拿大西安大略大学孙学良教授课题组利用喷墨印刷技术,研究了不同粘结剂对纳米颗粒(SiNP)负极电化学性能的影响。该成果于2017年发表在Nano Energy上(IF=11.553)。

喷墨印刷制备硅负极

图1.(a,b)通过将SiNP,炭黑和聚合物粘结剂混合在水中来制备油墨。(c)超声处理3小时后,将溶液充分混合,(d)注入喷墨打印机墨盒并打印。(e)印有SiNP墨水的西安大略大学标志图片。(f)铜箔上喷墨印刷的SiNP负极薄膜的光学照片和SEM图像。红色,白色和黑色的比例尺分别为3cm,5cm和500mm

作者用四种市售聚合物粘合剂(即聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)—聚(苯乙烯磺酸盐) (PEDOT:PSS),聚乙烯吡咯烷酮(PVP),羧甲基纤维素(CMC)和海藻酸钠)制备喷墨印刷的SiNP负极,并研究了对LIBs电化学性能的影响。从SEM图像看到,PEDOT:PSS均匀地涂覆在SiNP表面,即作为导电层,加速电子的传输,又同时将电极粘结在一起。作者使用SEM、傅立叶变换红外(FTIR)光谱和拉曼光谱等技术,观察到PEDOT:PSS粘结剂在电池放电期间拉伸,以有效地适应SiNP的体积膨胀并在充电期间收缩以保持连续的导电网络。因此,喷墨印刷的SiNP电极作为锂离子电池负极表现出极好的电化学性能,即使循环100次后也可表现出高于1700 mAh/g的比容量

喷墨印刷制备硅负极

    图2. (a)在0.1C下通过喷墨印刷技术用四种不同聚合物粘结剂制备硅负极的循环性能。(b)来自(a)的PEDOT:PSS(DMC:FEC)的充放电曲线。(c,d)具有PEDOT:PSS(DMC:FEC)的Si负极的倍率性能。(e)对1000 mAh/g的容量限制进行有限的放电深度测试。具有PEDOT:PSS粘结剂的Si电极通过喷墨印刷制造。通过传统的刮刀法制备了具有藻酸钠和PVDF粘结剂的Si电极,以进行比较。所示的库仑效率用于具有PEDOT:PSS(DMC:FEC)的Si负极。(f)如(e)中具有PEDOT:PSS(DMC:FEC)的Si负极的充放电曲线。

喷墨印刷制备硅负极

    图3.图示不同粘结剂制备的负极的电化学性能。 使用非导电粘结剂(CMC,藻酸钠和PVP)导致SiNP的电隔离。在CMC和藻酸钠的情况下,从一开始就发生电绝缘,导致初始容量差,而在PVP的情况下,导电炭黑网络在大容量变化期间被破坏。使用PEDOT:PSS,SiNP在充电/放电期间保持电连接,因此能够保持稳定的循环能力

作者对这种极好的电化学性能也给出了解释:

  • 所用的PEDOT:PSS配方是专为喷墨打印机设计,具有理想喷射条件下的最佳粘度、表面张力和密度

  • PEDOT:PSS具有离子和电子导电性

  • PEDOT:PSS能够在循环过程中可逆地变形,可与SiNP同时拉伸和收缩,并适应较大的体积变化

  • SiNP和PEDOT:PSS之间可能存在化学相互作用,在充电/放电期间稳定电极结构。

作者证明了喷墨印刷是大容量薄膜SiNP电极可行的制造方法,并且聚合物粘结剂在印刷电极的电化学行为中起重要作用。当与喷墨印刷电解质组合时,该技术可以扩展到用于制造全喷墨印刷电池的其它电极材料。

Stephen Lawes, Qian Sun, Andrew Lushington, Biwei Xiao, Yulong Liu, Xueliang Sun; Inkjet-printed silicon as high performance anodes for Li-ion batteries; Nano Energy (2017); DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.041

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参考文献:Nano Energy

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