3D打印技術(shù)制造柔性全纖維鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)研究

2017-10-10

【背景介紹】

傳統(tǒng)的笨重和剛性的電力系統(tǒng)不能滿足穿戴式設(shè)備的柔性和透氣性的要求。盡管在開(kāi)發(fā)具有足夠柔性的各種1D能量存儲(chǔ)設(shè)備方面付出了巨大努力，但是在制造的可擴(kuò)展性，成本和效率上仍然存在挑戰(zhàn)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙九蓬教授、馬里蘭大學(xué)胡良兵副教授和Kun (Kelvin) Fu（共同通訊）等人報(bào)道了應(yīng)用可擴(kuò)展，低成本，高效率的3D打印技術(shù)來(lái)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(yáng)極。兩個(gè)纖維電極在半電池中表現(xiàn)出良好的柔性和高的電化學(xué)性能。全纖維LIB可以通過(guò)將打印后的LFP和LTO纖維與凝膠聚合物一起作為準(zhǔn)固體電解質(zhì)進(jìn)行組裝。全纖維器件在50 mA g-1的電流密度下表現(xiàn)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(lái)的可穿戴電子設(shè)備。相關(guān)成果以題為“3D-Printed All-Fiber Li-Ion Battery toward Wearable Energy Storage”發(fā)表在了Advanced Functional Materials上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 3D打印全纖維柔性LIB的設(shè)計(jì)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(yīng)用中的應(yīng)用

圖2 LFP/CNT/PVDF，LTO/CNT/PVDF油墨和傳統(tǒng)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(shù)

b）儲(chǔ)能模量，G′和損耗模量G′作為剪切應(yīng)力的函數(shù)

c）傳統(tǒng)LFP漿料表面粘度作為剪切速率的函數(shù)

d）存儲(chǔ)模量，G′和損耗模量G′作為傳統(tǒng)LFP漿料剪切應(yīng)力的函數(shù)

e）LFP / CNT / PVDF油墨的存儲(chǔ)和損耗模量作為時(shí)間的函數(shù)

f）LTO / CNT / PVDF油墨的存儲(chǔ)和損耗模量作為時(shí)間的函數(shù)

圖3 纖維狀LFP電極的形態(tài)特征

a）打印過(guò)程中濕光纖的光學(xué)圖像

b）從凝固浴中除去濕纖維的光學(xué)圖像

c）干纖維的光學(xué)圖像

d，e）原始和拉伸纖維的光學(xué)圖像

f）帶有負(fù)重的纖維光學(xué)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(zhì)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(zhì)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(huán)穩(wěn)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(huán)穩(wěn)定性

e）全電池的充放電曲線

f）全電池的循環(huán)穩(wěn)定性分布

圖5 全纖維LIB器件與凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)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(huán)穩(wěn)定性曲線

d，e）全纖維設(shè)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(jié)】

該團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全纖維柔性鋰離子電池的智能設(shè)計(jì)和快速制造。在這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的快速，低成本，可擴(kuò)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(chǔ)設(shè)備開(kāi)辟新的途徑。