孟颖教授&Joseph Wang教授 Joule文章：柔性电子产品驱动新方案 - 高性能全印刷的可充电AgO-Zn电池- 大数跨境

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孟颖教授&Joseph Wang教授 Joule文章：柔性电子产品驱动新方案 - 高性能全印刷的可充电AgO-Zn电池

科学材料站

2020-12-15

导读：该文章报道了一种具有高面容量的柔性电池 (>54 mAh/cm2)，该电池通过低成本、易于量产的丝网印刷技术制造。

文章信息

柔性电子产品驱动新方案 - 高性能全印刷的可充电AgO-Zn电池

第一作者：尹鹿， Jonathan Scharf (共同一作)

通讯作者：孟颖(Ying Shirley Meng)*，Joseph Wang*

单位：美国加州大学圣地亚哥分校纳米工程系

研究背景

锌银电池具有安全，可充电，支持高放电电流等优势，相比非柔性、易燃易爆的锂离子电池更适合为小型传感器、物联网设备及可穿戴设备供电。然而，大量柔性电池的相关研究止步于实验室原型开发，而各类常见可穿戴电子产品供电且能以低价批量生产的柔性电池技术仍未成熟。具有无线通信功能的普通电子设备在峰值时间运行时至少消耗数十至数百毫瓦的功率，这需要相应具有高功率密度和低阻抗的电池。

另外，实用的柔性电子产品的设计要求柔性电池具有与传统纽扣电池相当的高能量密度，同时保持电池在弯曲变形过程中保持稳定耐久。该研究小组之前已着手开发可印刷和可拉伸的Ag2O-Zn电池（Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602096）。这项工作是先前工作的延续，致力于将基于可印刷的银锌电池从概念验证向实际应用推进。

文章简介

近日，来自加州大学圣地亚哥的孟颖教授与Joseph Wang教授合作，在国际知名期刊Joule（影响因子：29.1）上发表题为“High Performance AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics”的文章。

该文章报道了一种具有高面容量的柔性电池 (>54 mAh/cm2)，该电池通过低成本、易于量产的丝网印刷技术制造。所开发的电池在其整个充放电循环过程中均保持低阻抗，并具有出色的耐用性，可应对各种弯曲和扭曲变形。该电池展示可为具有集成微控制器(MCU)和蓝牙模块的柔性显示系统供能，并且相比有相同额定容量的商用锂金属纽扣电池相比，具有更佳的放电表现与更长的续航。

本文要点

要点一：高氧化态AgO正极材料

研究小组与美国加州可充电锌银纽扣电池公司ZPower合作, 开发了这款使用具有高氧化态氧化银(AgO)作为正极材料的电池。相比于常用的一价氧化银（Ag2O），使用含有Zpower专有的铅涂层的AgO材料拥有稳定的电化学性质，并且具有更好的电导率和比容量 (Ag2O为231 mAh/g，AgO为432 mAh/g)。

这种AgO使得印刷超厚电极(>500μm)成为可能，且电极的加厚不会明显增加电池阻抗。将超厚的AgO正极与相当的锌负极结合，使得该电池可以达到极高的54 mAh/cm2的面容量。

要点二：全可印刷电池组件

图1. （A）AgO-Zn柔性电池的批量逐层印刷及组装步骤。（B）电池层叠结构。（C）通过印刷可调整的不同电池尺寸（D-E）展示电池及其系统的可弯曲性。

为了实现整个堆叠电池的批量逐层印刷，研究小组针对电池的每个单独部分，包括基底、集电层、正极、负极以及两个电极的专有隔膜，开发了多种含有弹性聚合物的复合油墨。

基于SEBS的热塑弹性体基底使得印刷出来的电池可以像袋装电池一样进行真空热封。在此之外，一种共聚氟橡胶，由于其在高pH环境中的化学稳定性以及与高氧化性AgO的相容性，被特别挑选作为正极和负极油墨的粘合剂。

要点三：结合多种表征方法研究电池表现

图2. (A) AgO-Zn电池在不同放电速率下的循环表现。(B) 单电极充放电交流阻抗（EIS）变化。(C) micro-CT图像检测弯曲的电池内部。

得益于该电池组分在普通环境中的稳定性，该电池可以加入外接锌赝参比电极进行电化学性能表征。加入的参比电极可以允许同时单独表征电池中单电极的电化学表现，包括其正负极在充放电过程中的交流阻抗变化。

研究小组还使用了X-光微米断层扫描 (Micro-CT)来非侵入式地观察电池内部在反复扭曲变形后可能发生的电极剥离或微观损伤，从而确保电池在各类柔性应用中保持良好的机械韧性。此外，利用优化后的充放电系数，AgO-Zn电池可在0.2-1C的不同放电强度中循环充放电超过80次，在每个循环中均保持低阻抗，且在高放电速率下不会出现电容量损失。

要点四：电池在常见柔性电子器件的实际应用

图3.柔性电池为带有微控制器与蓝牙模块的柔性显示屏幕供电。

为了验证新型电池可为常见的小型电子系统供电，研究小组构建了具有微控制器单元（MCU）和蓝牙无线通信模块的柔性显示系统。该柔性电池通过模拟电子系统的放电功率曲线进行放电，与具有相同额定容量的商用纽扣电池相比，表现出了更加卓越的性能与续航。

要点五：前瞻

该电池为用于可穿戴式传感和物联网应用的各种柔性电子产品供电提供了一种实用的解决方案。其中，可印刷的超厚电极也印证了小型电池构建高能量密度和高功率密度的可能性。该研究组仍在进一步开发此电池技术，以提高该电池的电化学稳定性和循环寿命并降低它的成本。

这种电池结合了支持高电流放电的银锌电池化学和可量产低成本的制造技术，对于小型柔性电池可以在可穿戴柔性电子或5G物联网市场的进一步发展做出了有利的佐证。

文章链接

High Performance Printed AgO-Zn Rechargeable Battery for Flexible Electronics

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.008

通讯作者介绍

孟颖教授

加州大学圣地亚哥分校能源科技Zable冠名教授，纳米工程学院教授，UCSD可持续动力与能源中心主任。主要从事能源转换与存储器件（锂离子电池，锂金属电池，锂空气电池，钠离子电池，全固态电池，太阳能电池）的研究。在Science、Nature、Nature Energy等学术刊物上发表论文210余篇，获得他人引用20000余次。

Joseph Wang 教授

加州大学圣地亚哥分校SAIC冠名教授，纳米工程学院杰出教授，UCSD可穿戴传感器中心主任。连续数年上榜科睿唯安全球高被引科学家。同时从事电化学传感器及可穿戴设备（传感器，电池，能源收集器，生物燃料电池等）方向研究与微米纳米马达机器人方向研究。在Nature Biotechnology, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Science Robotics 等各类高影响力杂志发表多篇研究论文。至今已著作数本学术书籍，发表论文1150余篇，被引用124,000余次， H因子173。

第一作者介绍

尹鹿

2017年本科毕业于美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）化学工程专业，并继续在该校攻读纳米工程专业博士学位。2015年加入UCSD Joseph Wang教授课题组，从事柔性可印刷电子的研究，主要研究方向为开发柔性银锌电池，生物燃料电池等可穿戴能源器件，以及开发自供能的多组件可穿戴系统。至今以第一作者身份在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Small 等期刊发表多篇文章。

Jonathan Scharf

2016年本科毕业于麻省大学阿默斯特分校电子工程专业并加入UCSD纳米工程专业攻读博士学位，并于2018年加入孟颖教授课题组。主要研究方向为硅太阳能材料，柔性锌电池及固态电解液电池。

课题组介绍

孟颖课题组网站 http://smeng.ucsd.edu/

Joseph Wang

课题组网站 http:// http://joewang.ucsd.edu/