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A Photolithographable Electrolyte for Deeply Rechargeable Zn Microbatteries in On‐Chip Devices

微尺度化学 电解质 材料科学 阳极 纳米技术 光刻 阳极氧化 钝化 电偶阳极 电极 冶金 阴极保护 化学 图层(电子) 物理化学 数学教育 病理 制作 医学 数学 替代医学
作者
Zhe Qu,Jiachen Ma,Yang Huang,Tianming Li,Hongmei Tang,Xiaoyu Wang,Siyuan Liu,Kai Zhang,Jing Lu,Dmitriy D. Karnaushenko,Daniil Karnaushenko,Minshen Zhu,Oliver G. Schmidt
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (15): e2310667-e2310667 被引量:30
标识
DOI:10.1002/adma.202310667
摘要

Abstract Zn batteries show promise for microscale applications due to their compatibility with air fabrication but face challenges like dendrite growth and chemical corrosion, especially at the microscale. Despite previous attempts in electrolyte engineering, achieving successful patterning of electrolyte microscale devices has remained challenging. Here, successful patterning using photolithography is enabled by incorporating caffeine into a UV‐crosslinked polyacrylamide hydrogel electrolyte. Caffeine passivates the Zn anode, preventing chemical corrosion, while its coordination with Zn 2+ ions forms a Zn 2+ ‐conducting complex that transforms into ZnCO 3 and 2ZnCO 3 ·3Zn(OH) 2 over cycling. The resulting Zn‐rich interphase product significantly enhances Zn reversibility. In on‐chip microbatteries, the resulting solid‐electrolyte interphase allows the Zn||MnO 2 full cell to cycle for over 700 cycles with an 80% depth of discharge. Integrating the photolithographable electrolyte into multilayer microfabrication creates a microbattery with a 3D Swiss‐roll structure that occupies a footprint of 0.136 mm 2 . This tiny microbattery retains 75% of its capacity (350 µAh cm −2 ) for 200 cycles at a remarkable 90% depth of discharge. The findings offer a promising solution for enhancing the performance of Zn microbatteries, particularly for on‐chip microscale devices, and have significant implications for the advancement of autonomous microscale devices.
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