3D打印的富氧空位釩酸鉀銨/還原氧化石墨烯(KNVOv/rGO)微點(diǎn)陣氣凝膠被設(shè)計(jì)用于高性能K-離子電池(KIBs)的陰極。具有周期性亞毫米微通道和互連印刷細(xì)絲的3D印刷KNVOv/rGO電極由高度分散的KNVOv納米帶、褶皺的石墨烯納米片和豐富的微孔組成。rGO主鏈的明確的3D多孔微格結(jié)構(gòu)不僅提供了互連的導(dǎo)電3D網(wǎng)絡(luò)和所需的機(jī)械強(qiáng)度，而且促進(jìn)了液體電解質(zhì)滲透到內(nèi)部活性位點(diǎn)，從而確保了K-離子在KNVOv納米帶內(nèi)嵌入/脫嵌的穩(wěn)定電化學(xué)環(huán)境。3D印刷的KNVOv/rGO微晶格氣凝膠電極具有109.3 mAh G1的高放電容量，在50ma G1下200次循環(huán)后容量保持率為92.6%，在500mA G1下2000次循環(huán)后保持75.8 mAh G1的放電容量。由3D打印的KNVOv/rGO組成的柔性袋型KIB電池具有良好的機(jī)械耐久性，并在不同形式的變形如彎曲和折疊下保持高比容量。這些結(jié)果為先進(jìn)的3D打印電極材料與K離子電池的集成以及柔性和可穿戴儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了寶貴的見解。
圖 1. a) 3D 打印 KNVOv/rGO 微晶格氣凝膠電極制造過(guò)程示意圖。b、c) 數(shù)碼照片顯示打印的整料具有不同的尺寸和層數(shù)：0.6 × 0.6、0.8 × 0.8、1.0 × 1.0 和 1.2 × 1.2 cm2；可調(diào)節(jié)厚度包括 3、6、12 和 24 層。d) 通過(guò) 3D 打印技術(shù)打印各種圖案。e-g) 分別打印在硬玻璃、柔性多孔不銹鋼箔和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 上的設(shè)計(jì)字母 (KIBS) 圖案。h-j) 不同放大倍數(shù)下的 KNVOv/rGO 微晶格氣凝膠的 SEM 圖像。k) KNVOv/rGO 納米復(fù)合材料的 TEM 圖像，插圖顯示 KNVOv 納米帶的 HR-TEM 圖像。 l）rGO包裹的單個(gè)KNVOv納米帶的TEM圖像及其相應(yīng)的EDS圖。
圖 2. a) KNVOv 和 KNVOv/rGO 的 XRD 圖案。b) KNVOv 和 KNVOv/rGO 的拉曼散射光譜。c) KNVOv 和 KNVOv/rGO 的 FTIR 光譜。d) KNVOv/rGO 的 XPS 測(cè)量光譜和 KNVOv/rGO 的高分辨率 XPS 光譜：e) V 2p 和 f) O 1s。
圖3. a)掃描速率為0.1 mV s−1時(shí)，KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的前三個(gè)周期CV曲線。b) 50 mA g−1下KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的第1、2、3次充放電曲線。c)循環(huán)和d) KNVOv/rGO微晶格氣凝膠和KNVOv的速率特性。e) 500 mA g−1條件下KNVOv/rGO微晶格氣凝膠電極的循環(huán)性能和庫(kù)侖效率。f) 3d打印的KNVOv/rGO氣凝膠電極具有良好的電化學(xué)儲(chǔ)鉀性能。
圖 4. KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的儲(chǔ)鉀機(jī)理。a)第一次循環(huán)的非原位XRD圖譜。b)不同狀態(tài)下v2p的離地高分辨率XPS光譜。
圖 5. a)不同掃描速率下KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的CV曲線。b)峰值電流時(shí)KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的對(duì)數(shù)(i)和對(duì)數(shù)(v)圖。c) 0.6 mV s−1時(shí)的電容貢獻(xiàn)。d) GITT曲線和e) 50 mA g−1時(shí)對(duì)應(yīng)的K+擴(kuò)散系數(shù)。
圖 6. a)袋式KIB電池示意圖。b)尺寸為5 cm × 5 cm的鋁箔(左)和柔性不銹鋼箔(右)上印刷的KNVOv/rGO微晶格的數(shù)碼照片。彎曲條件下在鋁箔c1,c2和不銹鋼箔c3,c4上3d打印KNVOv/rGO微晶格。d1, d2)使用軟包裝電池作為柔性電子表帶。e1—e4)在平面、彎曲和折疊條件下為L(zhǎng)ED燈泡陣列供電的袋式KIB電池的數(shù)碼照片。f)循環(huán)穩(wěn)定性和g)不同機(jī)械變形類型下袋式KIB電池的恒流充放電曲線。
相關(guān)科研成果由香港城市大學(xué)Paul K. Chu，鄭州大學(xué)Junmin Xu等人于2024年發(fā)表在Small（https://doi.org/10.1002/smll.202405430）上。原文：Advanced 3D-Printed Potassium Ammonium Vanadate/rGO Aerogel Cathodes for Durable and High-Capacity Potassium-Ion Batteries
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202405430
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
