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《3D电子通道包裹大尺寸的Na3V2(PO4)3作为钠离子电池的柔性电极。》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2018-01-24

  • 便携式和可穿戴电子产品的发展引起了对柔性储能设备的需求，特别是高能量密度、优异的机械性能、简单的合成工艺和低成本的特点。然而，由于复杂的生产方法以及石墨烯/石墨烯氧化物和碳纳米管等当前收集器的成本相对较高，所以用于钠离子电池(SIBs)的柔性电极的开发仍然受到限制。在此，采用一种简单的电纺技术，设计并制作了大型Na3V2(PO4)3型三维电子通道。作为柔性电极材料，它具有优异的电解质润湿性，同时具有超快的电子电导率和高钠离子扩散系数，使其具有优异的电化学性能。可逆比容量高116 mA h g−1(近99%的理论具体的能力)可以获得0.1 C,即使一个电流密度的300倍(30 C)电流密度增加,灵活的电极的放电比容量仍是63毫安h g−1。对于大型颗粒的三维电子通道的制作，这一有效的概念有望在不同的系统中加速柔性电池的实际应用。

    ——文章发布于2018年1月22日

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相关报告

  • 《近原子尺寸3D打印》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2021-12-24
    • 近年来，3D打印（或称增材制造），已经成为一种很有前途的新制造工艺，可用于各种各样的部件。德国欧登堡大学的化学家Dmitry Momotenko利用一种新3D打印技术制造出超小的金属物体。他与来自瑞士苏黎世联邦理工学院和新加坡南洋理工大学的一组研究人员在《纳米快报》上发表的相关研究报告称，该技术在微电子学、传感器技术和电池技术方面有潜在的应用前景。该团队已经开发出一种电化学技术，可以用直径仅为25纳米的铜制造物体。作为对比，人类的头发大约是金银丝纳米结构的3000倍厚。 这种新打印技术是建立在相对简单和众所周知的电镀工艺基础上的。在电镀中，带正电的金属离子悬浮在溶液中。当液体与带负电荷的电极接触时，金属离子与电极中的电子结合形成中性金属原子，沉积在电极上，逐渐形成固体金属层。 “在这个过程中，固体金属是从液态盐溶液中制造出来的，电化学家可以非常有效地控制这个过程。”Momotenko说。在这种纳米打印技术中，他在一个微小的吸管中使用了一种带正电的铜离子溶液。液体从移液管的顶端通过打印喷嘴流出。在实验中，喷嘴开口的直径在253到1.6纳米之间。只有两个铜离子可以同时通过这么小的开口。 在3D打印中，科学家面临的最大挑战是，随着金属层的增长，打印喷嘴的开口往往会堵塞。为了防止这种情况的发生，研究小组开发了一种监测印刷过程的技术。他们记录了吸管内带负电荷的衬底电极和正极之间的电流，然后在一个完全自动化的过程中调整喷嘴的移动：喷嘴在极短的时间内接近负极，一旦金属层超过一定厚度，喷嘴就缩回。 利用这种技术，研究人员逐渐将一层又一层的铜层涂到电极表面。由于喷嘴的精确定位，他们能够打印垂直柱和倾斜或螺旋的纳米结构，甚至可以通过简单地改变打印方向来打印水平结构。 他们还能够非常精确地控制结构的直径。首先，通过选择打印喷嘴的大小，其次在实际打印过程中基于电化学参数。研究小组表示，使用这种方法可以打印出的最小物体直径约为25纳米，这相当于195个铜原子排成一排。 这意味着有了新的电化学技术，可以打印出比以前小得多的金属物体。例如，利用金属粉末进行3D打印（一种典型的金属3D打印方法），目前可以达到大约100微米的分辨率。因此，用这种方法可以制造出的最小物体比目前研究中的要大4000倍。 虽然更小的结构也可以用其他技术生产，但潜在材料的选择是有限的。“我们正在研究的技术结合了金属印刷和纳米级精度。”Momotenko解释说，正如3D打印引发了一场生产复杂的大型部件的革命，微型和纳米级的增材制造可以制造功能结构，甚至是超小尺寸的设备。 “3D打印催化剂具有高表面积和特殊的几何形状，允许特定的反应活性，可用于生产复杂的化学品。”Momotenko补充说，三维电极可以提高电能储存的效率。他和团队目前正朝着这个目标努力，通过3D打印大幅增加锂离子电池中电极的表面积，减少负极和负极之间的距离，以加快充电过程。 相关论文信息： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02847
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  • 《基于3D打印水凝胶用于柔性传感及脑电信号的采集》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-01-12
    • 近年来，柔性电子在可穿戴设备、电子皮肤等众多应用中扮演着越来越重要的角色，以水凝胶为基质设计的柔性电子由于其良好的导电性、柔性以及生物相容性等特点受到广泛的关注，在柔性传感器、柔性能源器件及人机接口等方面表现出广阔的应用前景。面投影微立体光刻3D打印技术（PμSL）可快速制造并成型任意形状和定制设计的结构，为以水凝胶基质设计的柔性电子器件的制造提供了灵活性和简便性。结合3D打印技术，并对水凝胶进行诸如超抗冻、超拉伸、导电等性能设计，在一定程度上拓宽了水凝胶的功能和应用范围。 近日，湖南大学王兆龙助理教授、段辉高教授与上海交通大学郑平院士等人合作，该团队基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印机nanoArch S/P140，开发了一种能够耐受-115℃极高导电能力的水凝胶体系，实现了极低温条件下的可穿戴设备运动信号检测及脑电信号高精度采集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring”为题发表在Research（Volume 2020 |Article ID 1426078）上。其中，王兆龙助理教授及硕士研究生陈雷为共同一作。 基于面投影微立体光刻技术制造水凝胶结构，首先，作者通过计算机辅助设计（CAD）软件生成的3D模型按照特定层厚切片为一系列平行的二维数字图像，然后，这些切出来的2D图案被传输到DMD芯片上，DMD芯片通过2D图案的形状调节其上照射的紫外光（LED，405nm）。具有相应定义的2D图案的成形紫外光通过一个缩小透镜，该透镜将2D图像投影到具有缩小特征尺寸的水凝胶前体溶液上。图案化的紫外光照射将会使水凝胶前体溶液在相应区域发生局部聚合反应并成型附着在打印平台上。再控制降低打印平台，紫外光投影照射继续打印下一层。这个过程反复进行，直到整个水凝胶结构被制造出来（图1）。研究者引入亲水性的三元醇作为光引发剂TPO-L的良性溶剂，将不溶于水的TPO-L均匀分散在水中，提高光引发剂引发效率，结合光固化3D打印nanoArchS/P140设备的离型膜的快速离型，大大提高水凝胶的光固化速度；利用纳米羟基磷灰石与水凝胶高分子链之间形成强烈的物理作用，从而提高3D打印水凝胶的拉伸性（2500%），并进一步提高其机械强度；三元醇和高浓度离子盐的协同作用赋予了水凝胶极佳的导电性和抗冻性（-115℃左右），3D打印水凝胶在极低温情况下仍然能够完成拉伸、弯曲和扭转的动作，并具有一定的低温导电性（图2）。 图1 基于面投影微立体光刻技术的水凝胶加工过程 图2 水凝胶的力学、电学和抗冻性能设计 优异的机械性能和良好的导电性能使其3D打印水凝胶能够作为应变传感器用于识别包括手指弯曲、发声及吞咽等人体运动信号（图3）；水凝胶还可作为柔性电极检测和采集诸如人睁、闭眼时的脑/眼电信号（EEG/ EOG），当志愿者在闭上眼睛并放松时，脑电信号显示出明显的α波（8~13Hz），当志愿者睁开眼睛并积极思考时，脑电α波即刻消失并逐渐向β波（14~30Hz）方向移动。与当前最精确的传统脑电信号采集装置对比实验表明，新体系水凝胶可以准确采集大脑中的脑电信号，反映大脑活动的整体信息，显示出在人机交互，特别是低温领域的脑机接口等方面的应用潜力（图4）。 图3 柔性应变传感器应用 图4 水凝胶柔性电极脑机接口应用 总而言之，本研究基于面投影微立体光刻技术，引入亲水性的三元醇作为光引发剂TPO-L的良性溶剂，利用纳米羟基磷灰石提高拉伸性，并结合高浓度的离子盐和三元醇作为导电介质和抗冻剂，使得所开发的水凝胶体系具有优异机械、导电和抗冻性能，并且可作为柔性应变传感器实现对人体运动和微弱信号的实时监控，同时可进一步用作脑机接口，准确采集大脑中的脑电信号，包括α、β波以反映大脑活动的整体信息。本文提出的水凝胶在电子皮肤、人机交互甚至极低温情况下的可穿戴设备中具有良好的应用前景。未来，微尺度3D打印技术的加入使得复杂3D结构多功能柔性电子和复杂脑机接口的快速制造成为可能。
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