马里兰大学胡良兵研究团队:3D打印纤维柔性锂离子电池的设计和构筑

近些年来,柔性及可穿戴器件因其越来越广泛的应用而受到了学术界和工业界的高度关注。然而普通锂离子电池不能满足可穿戴电子器件对柔韧性和透气性的要求。因此,柔性锂离子电池的发展需要考虑柔性及透气性。一般2D平面和3D立体结构的柔性电池的弯曲和拉伸程度往往比较有限,不易实现与织物的结合而应用于可穿戴电子。而1D纤维结构柔性储能器件则更容易实现缠绕和扭转等更为复杂的形变,因而在可穿戴电子领域更具应用前景。而目前因制备成本、效率、和规模化的限制,其实际应用仍需解决这些问题。

近期,马里兰大学胡良兵研究团队利用3D打印技术制备了纤维型类固态锂离子柔性电池。其中,利用普通粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘度调节剂,碳纳米管(CNT)作为导电剂,磷酸铁锂(LFP)和钛酸锂(LTO)分别作为正极和负极的电极活性材料配制了高粘度“墨水”,其表观粘度可达到104 -105Pa•s数量级,比传统电极浆料高1-2个数量级;存储模量平台值可达到103 Pa数量级,较传统浆料高一个数量级,这说明这两种溶液均具有良好的可打印性及固化成型性。分别将打印的LFP和LTO纤维表面涂覆聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-co-HFP)作为聚合物电解质和隔膜,模拟传统纺织纱线加捻技术,组装形成一维结构纤维型柔性全电池,该电池可以在弯曲状态下保持稳定的电化学性能,因而未来可以与普通织物结合, 作为可穿戴电子器件的重要能源存储设备。这种简单快速的方法为大规模生产柔性锂离子电池提供了新思路,也可有效的应用于其他活性材料体系的柔性一维电池。相关文章在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201703140)上。

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