3D打印的富氧空位钒酸钾铵/还原氧化石墨烯(KNVOv/rGO)微点阵气凝胶被设计用于高性能K-离子电池(KIBs)的阴极。具有周期性亚毫米微通道和互连印刷细丝的3D印刷KNVOv/rGO电极由高度分散的KNVOv纳米带、褶皱的石墨烯纳米片和丰富的微孔组成。rGO主链的明确的3D多孔微格结构不仅提供了互连的导电3D网络和所需的机械强度，而且促进了液体电解质渗透到内部活性位点，从而确保了K-离子在KNVOv纳米带内嵌入/脱嵌的稳定电化学环境。3D印刷的KNVOv/rGO微晶格气凝胶电极具有109.3 mAh G1的高放电容量，在50ma G1下200次循环后容量保持率为92.6%，在500mA G1下2000次循环后保持75.8 mAh G1的放电容量。由3D打印的KNVOv/rGO组成的柔性袋型KIB电池具有良好的机械耐久性，并在不同形式的变形如弯曲和折叠下保持高比容量。这些结果为先进的3D打印电极材料与K离子电池的集成以及柔性和可穿戴储能设备的设计提供了宝贵的见解。
 
 
图 1. a) 3D 打印 KNVOv/rGO 微晶格气凝胶电极制造过程示意图。b、c) 数码照片显示打印的整料具有不同的尺寸和层数：0.6 × 0.6、0.8 × 0.8、1.0 × 1.0 和 1.2 × 1.2 cm2；可调节厚度包括 3、6、12 和 24 层。d) 通过 3D 打印技术打印各种图案。e-g) 分别打印在硬玻璃、柔性多孔不锈钢箔和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 上的设计字母 (KIBS) 图案。h-j) 不同放大倍数下的 KNVOv/rGO 微晶格气凝胶的 SEM 图像。k) KNVOv/rGO 纳米复合材料的 TEM 图像，插图显示 KNVOv 纳米带的 HR-TEM 图像。 l）rGO包裹的单个KNVOv纳米带的TEM图像及其相应的EDS图。
 

图 2. a) KNVOv 和 KNVOv/rGO 的 XRD 图案。b) KNVOv 和 KNVOv/rGO 的拉曼散射光谱。c) KNVOv 和 KNVOv/rGO 的 FTIR 光谱。d) KNVOv/rGO 的 XPS 测量光谱和 KNVOv/rGO 的高分辨率 XPS 光谱：e) V 2p 和 f) O 1s。
 
 
图3. a)扫描速率为0.1 mV s−1时，KNVOv/rGO微晶格气凝胶的前三个周期CV曲线。b) 50 mA g−1下KNVOv/rGO微晶格气凝胶的第1、2、3次充放电曲线。c)循环和d) KNVOv/rGO微晶格气凝胶和KNVOv的速率特性。e) 500 mA g−1条件下KNVOv/rGO微晶格气凝胶电极的循环性能和库仑效率。f) 3d打印的KNVOv/rGO气凝胶电极具有良好的电化学储钾性能。
  
 
图 4. KNVOv/rGO微晶格气凝胶的储钾机理。a)第一次循环的非原位XRD图谱。b)不同状态下v2p的离地高分辨率XPS光谱。
 
 
图 5. a)不同扫描速率下KNVOv/rGO微晶格气凝胶的CV曲线。b)峰值电流时KNVOv/rGO微晶格气凝胶的对数(i)和对数(v)图。c) 0.6 mV s−1时的电容贡献。d) GITT曲线和e) 50 mA g−1时对应的K+扩散系数。
 
 
图 6. a)袋式KIB电池示意图。b)尺寸为5 cm × 5 cm的铝箔(左)和柔性不锈钢箔(右)上印刷的KNVOv/rGO微晶格的数码照片。弯曲条件下在铝箔c1,c2和不锈钢箔c3,c4上3d打印KNVOv/rGO微晶格。d1, d2)使用软包装电池作为柔性电子表带。e1—e4)在平面、弯曲和折叠条件下为LED灯泡阵列供电的袋式KIB电池的数码照片。f)循环稳定性和g)不同机械变形类型下袋式KIB电池的恒流充放电曲线。
 
       相关科研成果由香港城市大学Paul K. Chu，郑州大学Junmin Xu等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202405430

转自《石墨烯研究》公众号