鋰電世界網訊，隨著無線設備的小型化，對電池的要求也越來越嚴格。在提高電池能量密度的同時，還要盡可能的減小電池尺寸。薄膜電池具有比能量高、功率密度高、離子擴散距離短以及固有柔性的特點，所以集眾多優點于一身的薄膜電池也許是較好的選擇。薄膜電池可由薄膜生長技術如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或噴墨印刷制成。
其中，噴墨印刷最具應用前景。通過噴在頂部的層數進行調節，可精確地控制薄膜厚度。另外，噴墨印刷具有優于其他薄膜制造技術的許多優點，包括易用性、成本效益低、節省材料、可擴展性以及容易沉積圖案等。加拿大西安大略大學孫學良教授課題組利用噴墨印刷技術，研究了不同粘結劑對硅納米顆粒(SiNP)負極電化學性能的影響。該成果于2017年發表在Nano Energy上(IF=11.553)。
圖1.(a，b)通過將SiNP，炭黑和聚合物粘結劑混合在水中來制備油墨。(c)超聲處理3小時后，將溶液充分混合，(d)注入噴墨打印機墨盒并打印。(e)印有SiNP墨水的西安大略大學標志圖片。(f)銅箔上噴墨印刷的SiNP負極薄膜的光學照片和SEM圖像。紅色，白色和黑色的比例尺分別為3cm，5cm和500mm
作者用四種市售聚合物粘合劑(即聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)—聚(苯乙烯磺酸鹽) (PEDOT：PSS)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，羧甲基纖維素(CMC)和海藻酸鈉)制備噴墨印刷的SiNP負極，并研究了對LIBs電化學性能的影響。從SEM圖像看到，PEDOT：PSS均勻地涂覆在SiNP表面，即作為導電層，加速電子的傳輸，又同時將電極粘結在一起。
作者使用SEM、傅立葉變換紅外(FTIR)光譜和拉曼光譜等技術，觀察到PEDOT：PSS粘結劑在電池放電期間拉伸，以有效地適應SiNP的體積膨脹并在充電期間收縮以保持連續的導電網絡。因此，噴墨印刷的SiNP電極作為鋰離子電池負極表現出極好的電化學性能，即使循環100次后也可表現出高于1700 mAh/g的比容量。
圖2. (a)在0.1C下通過噴墨印刷技術用四種不同聚合物粘結劑制備硅負極的循環性能。(b)來自(a)的PEDOT：PSS(DMC：FEC)的充放電曲線。(c，d)具有PEDOT：PSS(DMC：FEC)的Si負極的倍率性能。(e)對1000 mAh/g的容量限制進行有限的放電深度測試。
具有PEDOT：PSS粘結劑的Si電極通過噴墨印刷制造。通過傳統的刮刀法制備了具有藻酸鈉和PVDF粘結劑的Si電極，以進行比較。所示的庫侖效率用于具有PEDOT：PSS(DMC：FEC)的Si負極。(f)如(e)中具有PEDOT：PSS(DMC：FEC)的Si負極的充放電曲線。
圖3.圖示不同粘結劑制備的負極的電化學性能。 使用非導電粘結劑(CMC，藻酸鈉和PVP)導致SiNP的電隔離。在CMC和藻酸鈉的情況下，從一開始就發生電絕緣，導致初始容量差，而在PVP的情況下，導電炭黑網絡在大容量變化期間被破壞。使用PEDOT：PSS，SiNP在充電/放電期間保持電連接，因此能夠保持穩定的循環能力
●作者對這種極好的電化學性能也給出了解釋：
●所用的PEDOT：PSS配方是專為噴墨打印機設計，具有理想噴射條件下的最佳粘度、表面張力和密度
●PEDOT：PSS具有離子和電子導電性
●PEDOT：PSS能夠在循環過程中可逆地變形，可與SiNP同時拉伸和收縮，并適應較大的體積變化
●SiNP和PEDOT：PSS之間可能存在化學相互作用，在充電/放電期間穩定電極結構。
作者證明了噴墨印刷是大容量薄膜SiNP電極可行的制造方法，并且聚合物粘結劑在印刷電極的電化學行為中起重要作用。當與噴墨印刷電解質組合時，該技術可以擴展到用于制造全噴墨印刷電池的其它電極材料。