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近日，遼寧大學(xué)化學(xué)院教師尹博思、張思文與碩士研究生任昱金以“Five-Axis Curved-Surface Multi-Material Printing on Conformal Surface to Construct Aqueous Zinc-Ion Battery Modules”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上發(fā)表論文（SCI一區(qū)top，校A+期刊，IF = 27.4）。

研究表明，傳統(tǒng)的電池設(shè)計(jì)存在體積大、機(jī)械柔性差和彎曲時(shí)界面分離等問(wèn)題，而新型的平面微電池雖然集成度高，但仍面臨活性材料負(fù)載和電路制造的挑戰(zhàn)。為解決這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)探索了增材制造技術(shù)，五軸曲面多材料打印技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜曲面上快速、精確地制造電路和電池模塊，從而推動(dòng)了緊湊、共形能源存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展。

相比于傳統(tǒng)的平面電路，曲面共形電路在空間優(yōu)化、便攜性、集成能力、響應(yīng)速度和可靠性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)是在科學(xué)探索中設(shè)計(jì)和實(shí)施各種電子設(shè)備和系統(tǒng)的重要技術(shù)手段。為此，研究團(tuán)隊(duì)利用增材制造技術(shù)，基于全自研的五軸聯(lián)動(dòng)曲面多材料打印設(shè)備，在非可展開(kāi)曲面上制造出具有摻鎢二氧化錳陰極的水性鋅離子電池。五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有助于縮短緊湊型電池的離子傳輸路徑，并確保精確、高效地成形非可展開(kāi)曲面。之后，將打印電池與納米銀蛇形電阻溫度傳感器集成，并利用強(qiáng)脈沖燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成功能電路的快速燒結(jié)。電路中集成的發(fā)光二極管可通過(guò)LED亮度的變化測(cè)量溫度。載體表面高度吻合的儲(chǔ)能模塊具有體積小、空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)。在曲面上一體化成形功能電路的能力為儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新提供了新的途徑，為實(shí)現(xiàn)共形器件的一體化快速制造提供了解決方案。

圖 1 展示了共形溫度測(cè)量電路的制造過(guò)程和溫度變化測(cè)試，說(shuō)明了通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)打印電路基底、導(dǎo)電路徑、電池集流體和電阻溫度傳感器，并通過(guò)脈沖紫外光固化形成電路。電路對(duì)溫度變化的響應(yīng)通過(guò)LED亮度的變化來(lái)表示。  

圖 2 描述了共形表面切片原理、不同類(lèi)型噴嘴在共形表面上的路徑規(guī)劃以及五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的共形表面打印原理。

圖 3 展示了使用陣列噴嘴通過(guò)納米銀墨水打印并經(jīng)過(guò)脈沖紫外光燒結(jié)制成的電池電流收集器、導(dǎo)電路徑和電阻溫度傳感器，還展示了不同燒結(jié)功率下納米銀的電阻率變化，以及溫度傳感器的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和溫度依賴(lài)性。

圖 4 展示了鋅離子電池中WMO作為正極材料的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，包括了充放電曲線(xiàn)、循環(huán)伏安曲線(xiàn)、不同電流密度下的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，以及通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算得到的電子性質(zhì)和鋅離子在WMO中的遷移特性。

該研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種基于增材制造技術(shù)的五軸共形曲面多材料打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同材料的特性裝備不同的噴嘴，實(shí)現(xiàn)共形功能電路的快速原型制作。通過(guò)結(jié)合表面路徑規(guī)劃技術(shù)和五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了在不可展開(kāi)表面上打印的能力，有效地生產(chǎn)出復(fù)雜的功能電路。最終，他們實(shí)現(xiàn)了在非膨脹表面上制造共形溫度測(cè)試集成電路，包括鋅錳電池模塊、納米銀溫度傳感器和導(dǎo)電路徑，能夠通過(guò)觀(guān)察LED亮度的變化來(lái)監(jiān)測(cè)基底表面的溫度變化。這一制造過(guò)程為在空間受限的應(yīng)用中制造共形功能電路提供了新的可能性，為可穿戴電子設(shè)備的小型化和共形生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介

第一作者：任昱金，遼寧大學(xué)化學(xué)院2020級(jí)碩士研究生。從事水系鋅離子電池方向研究。

通訊作者：張思文，遼寧大學(xué)化學(xué)院助理研究員，沈陽(yáng)市拔尖人才，博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，在博士期間獲得留學(xué)基金委獎(jiǎng)學(xué)金前往新加坡國(guó)立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)18個(gè)月。一直從事電化學(xué)儲(chǔ)能（超級(jí)電容器、水系電池）的相關(guān)研究工作。目前，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)表SCI論文50余篇，其中以第一作者/通訊作者在A(yíng)ngewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Nano Energy、Nano-Micro Letters等國(guó)際著名期刊上發(fā)表SCI檢索論文20余篇。影響因子30以上的2篇，影響因子15以上的10余篇。論文被引用2500余次，H因子25，發(fā)表期刊中有4篇被評(píng)為ESI高被引用論文（世界前1%），1篇被評(píng)為ESI熱點(diǎn)論文（世界前0.1%）。授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，受理專(zhuān)利6項(xiàng)，作為負(fù)責(zé)人/參與人承擔(dān)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)。擔(dān)任Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, InfoMat, ACS Applied Materials & Interfaces, Chemical Engineering Journal, International Journal of Hydrogen Energy, Journal of Colloid and Interface Science等國(guó)際雜志獨(dú)立審稿人。

通訊作者：尹博思，遼寧大學(xué)化學(xué)院副教授，碩士研究生導(dǎo)師，遼寧省首批“科技專(zhuān)員”，沈陽(yáng)市拔尖人才。主要從事柔性可塑性超級(jí)電容器和智能溫敏水系電池等領(lǐng)域的科學(xué)研究，在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angew. Chem., Nano Energy、Carbon Energy、Energy Storage Materials、等國(guó)際著名期刊上發(fā)表SCI檢索論文30余篇。累計(jì)引用次數(shù)3000余次，H因子為26。授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，受理專(zhuān)利10項(xiàng)，成果轉(zhuǎn)化2項(xiàng)。作為負(fù)責(zé)人主持/參與國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、教育部項(xiàng)目、面上項(xiàng)目及其它地方基金項(xiàng)目5項(xiàng)，企業(yè)橫向項(xiàng)目2項(xiàng)。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408475