鋰電世界網(wǎng)訊，隨著無線設(shè)備的小型化，對電池的要求也越來越嚴格。在提高電池能量密度的同時，還要盡可能的減小電池尺寸。薄膜電池具有比能量高、功率密度高、離子擴散距離短以及固有柔性的特點，所以集眾多優(yōu)點于一身的薄膜電池也許是較好的選擇。薄膜電池可由薄膜生長技術(shù)如物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或噴墨印刷制成。

其中，噴墨印刷最具應(yīng)用前景。通過噴在頂部的層數(shù)進行調(diào)節(jié)，可精確地控制薄膜厚度。另外，噴墨印刷具有優(yōu)于其他薄膜制造技術(shù)的許多優(yōu)點，包括易用性、成本效益低、節(jié)省材料、可擴展性以及容易沉積圖案等。加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授課題組利用噴墨印刷技術(shù)，研究了不同粘結(jié)劑對硅納米顆粒(SiNP)負極電化學(xué)性能的影響。該成果于2017年發(fā)表在Nano Energy上(IF=11.553)。

圖1.(a，b)通過將SiNP，炭黑和聚合物粘結(jié)劑混合在水中來制備油墨。(c)超聲處理3小時后，將溶液充分混合，(d)注入噴墨打印機墨盒并打印。(e)印有SiNP墨水的西安大略大學(xué)標(biāo)志圖片。(f)銅箔上噴墨印刷的SiNP負極薄膜的光學(xué)照片和SEM圖像。紅色，白色和黑色的比例尺分別為3cm，5cm和500mm

作者用四種市售聚合物粘合劑(即聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)—聚(苯乙烯磺酸鹽) (PEDOT：PSS)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，羧甲基纖維素(CMC)和海藻酸鈉)制備噴墨印刷的SiNP負極，并研究了對LIBs電化學(xué)性能的影響。從SEM圖像看到，PEDOT：PSS均勻地涂覆在SiNP表面，即作為導(dǎo)電層，加速電子的傳輸，又同時將電極粘結(jié)在一起。

作者使用SEM、傅立葉變換紅外(FTIR)光譜和拉曼光譜等技術(shù)，觀察到PEDOT：PSS粘結(jié)劑在電池放電期間拉伸，以有效地適應(yīng)SiNP的體積膨脹并在充電期間收縮以保持連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。因此，噴墨印刷的SiNP電極作為鋰離子電池負極表現(xiàn)出極好的電化學(xué)性能，即使循環(huán)100次后也可表現(xiàn)出高于1700 mAh/g的比容量。

圖2. (a)在0.1C下通過噴墨印刷技術(shù)用四種不同聚合物粘結(jié)劑制備硅負極的循環(huán)性能。(b)來自(a)的PEDOT：PSS(DMC：FEC)的充放電曲線。(c，d)具有PEDOT：PSS(DMC：FEC)的Si負極的倍率性能。(e)對1000 mAh/g的容量限制進行有限的放電深度測試。

具有PEDOT：PSS粘結(jié)劑的Si電極通過噴墨印刷制造。通過傳統(tǒng)的刮刀法制備了具有藻酸鈉和PVDF粘結(jié)劑的Si電極，以進行比較。所示的庫侖效率用于具有PEDOT：PSS(DMC：FEC)的Si負極。(f)如(e)中具有PEDOT：PSS(DMC：FEC)的Si負極的充放電曲線。

圖3.圖示不同粘結(jié)劑制備的負極的電化學(xué)性能。 使用非導(dǎo)電粘結(jié)劑(CMC，藻酸鈉和PVP)導(dǎo)致SiNP的電隔離。在CMC和藻酸鈉的情況下，從一開始就發(fā)生電絕緣，導(dǎo)致初始容量差，而在PVP的情況下，導(dǎo)電炭黑網(wǎng)絡(luò)在大容量變化期間被破壞。使用PEDOT：PSS，SiNP在充電/放電期間保持電連接，因此能夠保持穩(wěn)定的循環(huán)能力

●作者對這種極好的電化學(xué)性能也給出了解釋：

●所用的PEDOT：PSS配方是專為噴墨打印機設(shè)計，具有理想噴射條件下的最佳粘度、表面張力和密度

●PEDOT：PSS具有離子和電子導(dǎo)電性

●PEDOT：PSS能夠在循環(huán)過程中可逆地變形，可與SiNP同時拉伸和收縮，并適應(yīng)較大的體積變化

●SiNP和PEDOT：PSS之間可能存在化學(xué)相互作用，在充電/放電期間穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。

作者證明了噴墨印刷是大容量薄膜SiNP電極可行的制造方法，并且聚合物粘結(jié)劑在印刷電極的電化學(xué)行為中起重要作用。當(dāng)與噴墨印刷電解質(zhì)組合時，該技術(shù)可以擴展到用于制造全噴墨印刷電池的其它電極材料。