《AFM》：3D打印可拉伸液态镓电池​！

来源：材料科学与工程

下一代软质和可拉伸电子产品有望在各个应用领域产生变革性影响，包括健康监测、机器人技术、电子纺织品、柔性显示器和结构电子学。可穿戴式肌电图（EMG）、心电图（ECG）和脑电图（EEG）的应用得到了证明。然而，之前的大多数实现要么连接到外部电源，要么使用电池，这是贴片中最笨重的刚性组件。在过去几年中，科研人员研究了几种用于收集生物医学贴片能量的解决方案。这包括柔性太阳能电池、微生物燃料电池和压电纳米发电机。这些通常与超级电容器结合使用进行存储。然而，与其他薄膜能量收集/存储解决方案相比，印刷电池的面容至少高出一个数量级，但与刚性纽扣电池相比，面功率密度低一个数量级。这既显示了印刷电池的潜力，也显示了进一步研究对于下一代无系留生物监测贴片，电子纺织品和其他物联网（IoT）设备的重要性。尽管软质和可伸缩电池的发展很快，但目前的制造技术主要使用人工处理和模板/丝网印刷。

来自葡萄牙科英布拉大学的学者首次引入了3D打印的银-镓电池，通过随后打印四种无烧结物的复合材料：可拉伸液态金属(LM)Egain-Ag-Styene-异戊二烯嵌段共聚物(SIS)和碳-SIS集电体、Ag2O-SIS正极以及一种新型的Ga-C-SIS负极。其无需烧结、打印速度更快并与热敏性基材兼容。虽然Ga-C-SIS是固体状的，印刷后不会产生污渍，但它与电解液接触后会产生液体界面。这导致了一种自给自足和自聚集的机制，将更多的镓带到表面并延缓了死表面的形成。本文测得≈19.4mAhm−2创纪录的面积容量，以及出色的可伸缩性(>130%的应变)，这些特性使银-镓电池成为银-锌电池的极佳替代品。令人惊讶的是，与模板印刷相比，数字印刷的面积容量高出3倍，这是因为表面暴露的镓更多。所需的电压和电流输出可以通过打印多个电池单元并将它们串联/并联来定制。此外，还展示了在生物监测电子纺织品上打印传感器、电极、电池和互连以同时监测心电图、体温和呼吸的方法。相关文章以“3D Printed Stretchable Liquid Gallium Battery”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113232

图 1.A）镓碳SIS数字印刷油墨的制备：i，ii）首先CB在甲苯的帮助下与SIS溶液混合; iii，iv）加入60℃熔化的镓，并与溶液iv）Ga-C-SIS可印刷糊状物混合。B）当电池放电时，镓转化为氧化镓（III），而氧化银变成金属银。电子从负极流向正极。C）数码印刷银镓电池：i，vi）挤出打印机沉积材料ii，v）印刷第1CC.iii，vi）印刷第2CC.iv）打印电极;vii）放置电解质。D）碳在负极中的作用：i）不同CB：Ga比的镓电极的片状电阻测量;ii）示意图，说明CB在镓颗粒渗透中的作用。E）本文打印的2个电池，每个电池有6个电池并联和串联。每个电池有3个并联的电池单元和2个串联的电池。

图 2.A）银-镓电池中的第一放电曲线。B） 模板印刷电池和数字印刷电池在不同电流下显示的电压峰值。C）在伸展的同时放电电池。D）比较模板印刷电池、拉伸电池和数字印刷电池的容量值。E）区域容量，以及可伸缩电池中最先进的工作的最大拉伸性。F） 开路时出电。电池需要大约13天才能彻底放电。G）比较模板和数字印刷镓电极的光学图像：H）电池的可充电性：i）电池在0.4 mA cm−2下执行100次循环;ii）来自i)中循环子集的放大图像。

图 3. 镓-碳-SIS电极的SEM和EDS。A） 新鲜电极 B） 与电解质接触后的电极。C） 电池放电后 D） 经过 100 次充放电循环。在所有图像A，B，C，D中：i）SE显微镜图像;ii）镓元素强度的彩色图;iii）氧元素强度;iv）碳元素强度。

图 4.本文采用Ga-C-SIS电极的模型。A）在接触电解质之前。B）与电解质接触后，形成液体聚集界面。C）电化学循环后。

图 5.A） 两节多节电池以 3 × 2 排列方式并联和串联的原理图设计。使用挤出打印机打印的所有层。B）使用印刷的银镓电池和软水凝胶去照亮LED。C）生物监测可穿戴“WoW皮带”，可获取体温、呼吸和心脏监测。D）用于WoW皮带的印刷电池的原型，然后集成到纺织品中。e）集成到皮带中后，提供22小时续航。

本文首次展示了一款全数字印刷的可拉伸电池，它结合了高面积容量(19.4 mAh m−2)和130%的最大应变。本文介绍的Ag-Ga电池由四种可数字印刷和可拉伸的复合材料组成：Ag-Egain-SIS第一CC、CB-SIS第二CC、Ag2O-SIS正极和一种新型的Ga-C-SIS负极。与本文以前使用锌-SIS电极相比，Ga-C-SIS电极表现出了更好的性能组合，包括更高的面积容量、更高的最大应变容限以及数字印刷的可能性。通过挤压沉积的数字印刷电池，与使用相同材料复合材料的模板印刷版本的电池相比，表现出相当高的面积电容和更高的电化学循环稳定性。本文发现，与模板印刷相比，数字印刷在电极表面暴露了更多的镓，从而显著提高了面积容量和电化学循环。