三维多孔镍支架集成增强平面锌离子微电池的稳定性和容量

本文推荐一篇关于平面锌离子微电池(ZIMBs)创新的研究，通过引入三维多孔镍(3D Ni)支架作为锌(Zn)阳极载体，显著提升了微电池的循环稳定性（1000次循环保持80%容量）和电化学性能（能量密度达17.22 μWh cm?2）。该设计有效抑制枝晶生长，降低电荷转移电阻，为物联网(IoT)微型设备提供了高功率密度(6.98 mW cm?2)的集成化能源解决方案。

　　

摘要

平面锌离子微电池(ZIMBs)因其在微型电子设备中的集成潜力备受关注，但传统设计面临枝晶生长和电极降解的挑战。本研究创新性地采用动态氢气泡模板(DHBT)技术构建三维多孔镍(3D Ni)支架作为锌阳极载体，通过对比平面锌、三维多孔锌(3D Zn)和镍支架负载锌(NZn)三种构型，证实NZn阳极在循环稳定性（1000次容量保持率>80%）和枝晶抑制方面表现最优。结合聚苯胺(PANI)阴极，该微电池实现17.22 μWh cm^?2的能量密度和6.98 mW cm^?2的峰值功率密度，为微型能源存储提供了新思路。

1 引言

物联网(IoT)的快速发展推动了对微型化能源的需求。传统叠层微电池受限于体积效率，而平面微电池凭借可直接集成于芯片的优势成为研究热点。然而，金属基阳极（如锌）在有限空间内的枝晶生长会导致短路风险。本研究通过三维多孔结构重构阳极界面，将枝晶生长导向孔隙内部，同时增加比表面积以提升锌负载量。前期研究表明，三维铜支架可使电池在4 mA cm^?2下循环700次，而本工作的镍支架进一步优化了锌的均匀沉积动力学。

2 结果与讨论

材料表征：X射线衍射(XRD)证实镍支架的(111)和(200)晶面特征峰，锌沉积后保留标准衍射峰型。接触角测试显示3D Ni支架使电极亲水性显著提升（最低达13°），而厚度分析表明60秒沉积的支架可达20 μm，锌负载后增至32 μm。

形貌稳定性：对称电池测试揭示，平面锌电极在放电1小时后完全消耗，而NZn电极保持结构完整。扫描电镜(SEM)显示3D Ni支架能引导锌在孔隙内均匀沉积，避免边缘枝晶聚集。

电化学性能：循环伏安(CV)曲线显示PANI//NZn电池的两对氧化还原峰（对应PANI的leucoemeraldine-emeraldine和emeraldine-pernigraniline转变）过电位降低至<0.10 V。电化学阻抗谱(EIS)表明40秒沉积的NZn电荷转移电阻最低（60 Ω）。在1 mA cm^?2下循环1000次后，PANI//NZn(40)容量保持84.71%，远高于平面锌的40%。

机制分析：b值计算（阳极峰0.84-0.98）证实电容行为主导电荷存储。沃伯格斜率分析显示NZn(40)的Zn²⁺扩散系数最优，归因于其孔隙率与结构的平衡。

3 结论

三维多孔镍支架通过提供机械支撑和均匀的离子流分布，解决了平面锌微电池的枝晶难题。该设计在保持高能量密度的同时实现快充性能（99.72%容量恢复率），为可穿戴医疗传感器等微型电子设备的能源供应提供了可靠方案。

4 实验方法

采用三电极体系电沉积PANI（0.85 V/30秒）和锌（-40 mA/8秒），3D Ni支架通过-2.5 A cm^?2电流在NiCl₂/NH₄Cl电解液中制备。凝胶电解质含3 M Zn(CF₃SO₃)₂的PVA基质，确保器件柔性化适配。