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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

2021-09-30

【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。盡管在開發(fā)具有足夠柔性的各種1D能量存儲設(shè)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(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)等人報道了應(yīng)用可擴展,低成本,高效率的3D打印技術(shù)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(xué)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(zhǔn)固體電解質(zhì)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(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。


3D打印全纖維柔性LIB的設(shè)計理念和制造工藝原理圖

6.jpg

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


LFP/CNT/PVDF,LTO/CNT/PVDF油墨和傳統(tǒng)LFP漿料油墨的流變性能

7.jpg

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(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)


纖維狀LFP電極的形態(tài)特征

8.jpg

a)打印過程中濕光纖的光學(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



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

9.jpg

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


全纖維LIB器件與凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)性能

10.jpg

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)】

該團隊使用先進的3D打印技術(shù)實現(xiàn)了全纖維柔性鋰離子電池的智能設(shè)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(shè)備開辟新的途徑。


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