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(tǒng)的笨重和剛性的電力系統(tǒng)不能滿足穿戴式設備的柔性和透氣性的要求。盡管在開發(fā)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(zhàn)。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業(yè)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(xiàn)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(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(fā)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(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）儲能模量，G′和損耗模量G′作為剪切應力的函數(shù)

c）傳統(tǒng)LFP漿料表面粘度作為剪切速率的函數(shù)

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

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

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

圖3 纖維狀LFP電極的形態(tài)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(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(huán)穩(wěn)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(xiàn)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(fā)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。