3D打印的富氧空位釩酸鉀銨/還原氧化石墨烯(KNVOv/rGO)微點陣氣凝膠被設計用于高性能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多孔微格結構不僅提供了互連的導電3D網絡和所需的機械強度，而且促進了液體電解質滲透到內部活性位點，從而確保了K-離子在KNVOv納米帶內嵌入/脫嵌的穩定電化學環境。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次循環后容量保持率為92.6%，在500mA G1下2000次循環后保持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。這些結果為先進的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能設備的設計提供了寶貴的見解。
圖 1. a) 3D 打印 KNVOv/rGO 微晶格氣凝膠電極制造過程示意圖。b、c) 數碼照片顯示打印的整料具有不同的尺寸和層數：0.6 × 0.6、0.8 × 0.8、1.0 × 1.0 和 1.2 × 1.2 cm2；可調節厚度包括 3、6、12 和 24 層。d) 通過 3D 打印技術打印各種圖案。e-g) 分別打印在硬玻璃、柔性多孔不銹鋼箔和聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 上的設計字母 (KIBS) 圖案。h-j) 不同放大倍數下的 KNVOv/rGO 微晶格氣凝膠的 SEM 圖像。k) KNVOv/rGO 納米復合材料的 TEM 圖像，插圖顯示 KNVOv 納米帶的 HR-TEM 圖像。 l）rGO包裹的單個KNVOv納米帶的TEM圖像及其相應的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，KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的前三個周期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性能和庫侖效率。f) 3d打印的KNVOv/rGO氣凝膠電極具有良好的電化學儲鉀性能。
圖 4. KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的儲鉀機理。a)第一次循環的非原位XRD圖譜。b)不同狀態下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KNVOv/rGO微晶格氣凝膠的對數(i)和對數(v)圖。c) 0.6 mV s−1時的電容貢獻。d) GITT曲線和e) 50 mA g−1時對應的K+擴散系數。
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LED燈泡陣列供電的袋式KIB電池的數碼照片。f)循環穩定性和g)不同機械變形類型下袋式KIB電池的恒流充放電曲線。
相關科研成果由香港城市大學Paul K. Chu，鄭州大學Junmin Xu等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
