可穿戴纖維鋰離子電池的3D打印技術(shù)

供稿人:汪鑫 田小永

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種纖維鋰離子電池，這種鋰離子電池具有較好的柔性，可以與衣物纖維編織在一起，用于可穿戴電子設(shè)備。

圖1 （a）纖維鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖；（b）可穿戴鋰離子電池

該研究利用磷酸亞鐵鋰（LFP）、鈦酸鋰（LTO）顆粒作為正、負(fù)極活性物質(zhì)，碳納米管（CNTs）、聚偏氟乙烯（PVDF）、N-甲基吡咯酮烷（NMP）分別作為導(dǎo)電物質(zhì)、粘結(jié)劑以及溶劑，制備出可打印的正、負(fù)極“墨水”。在打印過程中，打印頭被浸沒在乙醇溶液中，以便打印出的纖維電極快速凝固，將打印好的纖維凝固1分鐘，然后取出后晾干，得到所需電極。電極的正、負(fù)極在包裹聚合物后纏繞成一股，放入熱縮管內(nèi)后加入電解質(zhì)并封裝，即得到纖維鋰離子電池。

圖2 纖維鋰離子電池制造過程及微觀結(jié)構(gòu)

圖3 電極材料的電化學(xué)性能

研究表明，這是人們首次將擠出3D打印技術(shù)應(yīng)用于纖維正、負(fù)電極的制備，表現(xiàn)出了較好的機(jī)械性能、柔性以及電化學(xué)性能，其首次充放電比容量分別為141.3、110mAh/g，并且在30次循環(huán)后，仍能保持初始值的81%。總之，這項(xiàng)技術(shù)為智能、柔性、可穿戴的電子設(shè)備，提供了一種快速、低成本、可拓展的電池制造方式。

圖4 纖維鋰離子電池的電化學(xué)性能及應(yīng)用

參考文獻(xiàn)：
Y.B. Wang, C.J. Chen, H. Xie, T.T. Gao, Y.G. Yao, G. Pastel, X.G. Han, Y.J. Li, J.P. Zhao, K. Fu, L.B. Hu, 3D-Printed All-Fiber Li-Ion Battery toward Wearable Energy Storage, Adv Funct Mater 27(43) (2017).、

供稿人:汪鑫 田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室