3D打印技術制造柔性全纖維鋰離子電池應用技術研究

2017-10-10

【背景介紹】

傳統的笨重和剛性的電力系統不能滿足穿戴式設備的柔性和透氣性的要求。盡管在開發具有足夠柔性的各種1D能量存儲設備方面付出了巨大努力，但是在制造的可擴展性，成本和效率上仍然存在挑戰。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學趙九蓬教授、馬里蘭大學胡良兵副教授和Kun (Kelvin) Fu（共同通訊）等人報道了應用可擴展，低成本，高效率的3D打印技術來制造柔性全纖維鋰離子電池（LIB）。使用含有碳納米管和磷酸鐵鋰（LFP）或鋰鈦氧化物（LTO）的高粘度聚合物油墨分別打印LFP纖維陰極和LTO纖維陽極。兩個纖維電極在半電池中表現出良好的柔性和高的電化學性能。全纖維LIB可以通過將打印后的LFP和LTO纖維與凝膠聚合物一起作為準固體電解質進行組裝。全纖維器件在50 mA g-1的電流密度下表現出≈110mAh g-1的高比容量，并保持了纖維電極良好的柔性，這可用于未來的可穿戴電子設備。相關成果以題為“3D-Printed All-Fiber Li-Ion Battery toward Wearable Energy Storage”發表在了Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1 3D打印全纖維柔性LIB的設計理念和制造工藝原理圖

a）3D打印制作工藝

b）纖維狀電池在可穿戴應用中的應用

圖2 LFP/CNT/PVDF，LTO/CNT/PVDF油墨和傳統LFP漿料油墨的流變性能

a）LFP / CNT / PVDF和LTO / CNT / PVDF油墨的表面粘度作為剪切速率的函數

b）儲能模量，G′和損耗模量G′作為剪切應力的函數

c）傳統LFP漿料表面粘度作為剪切速率的函數

d）存儲模量，G′和損耗模量G′作為傳統LFP漿料剪切應力的函數

e）LFP / CNT / PVDF油墨的存儲和損耗模量作為時間的函數

f）LTO / CNT / PVDF油墨的存儲和損耗模量作為時間的函數

圖3 纖維狀LFP電極的形態特征

a）打印過程中濕光纖的光學圖像

b）從凝固浴中除去濕纖維的光學圖像

c）干纖維的光學圖像

d，e）原始和拉伸纖維的光學圖像

f）帶有負重的纖維光學圖像

g）LFP纖維的SEM圖像

h）LFP纖維的橫截面圖

i）由三根LFP纖維組成的紗線的SEM圖像

j）涂覆在紗線纖維上的聚合物層的SEM圖像

k）凝膠電解質涂層的放大SEM圖像

l）纖維上聚合物涂層的放大橫截面SEM圖像

圖4 基于具有液體電解質的紐扣電池的半電池和全電池的性能

a）LFP纖維半電池的充放電曲線

b）LFP纖維半電池的循環穩定性

c）LTO維纖半電池的充電和放電曲線

d）LTO纖維半電池的循環穩定性

e）全電池的充放電曲線

f）全電池的循環穩定性分布

圖5 全纖維LIB器件與凝膠電解質的電化學性能

a）全纖維LIB器件示意圖

b）全維纖LIB器件的充放電曲線

c）循環穩定性曲線

d，e）全纖維設備的演示

f）編織成紡織品的纖維電池的圖示

g）展示纖維電極與紡織織物整合的圖片

【小結】

該團隊使用先進的3D打印技術實現了全纖維柔性鋰離子電池的智能設計和快速制造。在這項工作中開發的快速，低成本，可擴展的3D打印方法將為智能，柔性和可穿戴的全纖維能量存儲設備開辟新的途徑。