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可穿戴纤维锂离子电池的3D打印技术

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供稿人:汪鑫 田小永

哈尔滨工业大学化工学院利用3D打印技术开发了一种纤维锂离子电池,这种锂离子电池具有较好的柔性,可以与衣物纤维编织在一起,用于可穿戴电子设备。

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图1 (a)纤维锂离子电池结构示意图;(b)可穿戴锂离子电池
该研究利用磷酸亚铁锂(LFP)、钛酸锂(LTO)颗粒作为正、负极活性物质,碳纳米管(CNTs)、聚偏氟乙烯(PVDF)、N-甲基吡咯酮烷(NMP)分别作为导电物质、粘结剂以及溶剂,制备出可打印的正、负极“墨水”。在打印过程中,打印头被浸没在乙醇溶液中,以便打印出的纤维电极快速凝固,将打印好的纤维凝固1分钟,然后取出后晾干,得到所需电极。电极的正、负极在包裹聚合物后缠绕成一股,放入热缩管内后加入电解质并封装,即得到纤维锂离子电池。

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图2 纤维锂离子电池制造过程及微观结构
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图3 电极材料的电化学性能
研究表明,这是人们首次将挤出3D打印技术应用于纤维正、负电极的制备,表现出了较好的机械性能、柔性以及电化学性能,其首次充放电比容量分别为141.3、110mAh/g,并且在30次循环后,仍能保持初始值的81%。总之,这项技术为智能、柔性、可穿戴的电子设备,提供了一种快速、低成本、可拓展的电池制造方式。

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图4 纤维锂离子电池的电化学性能及应用
参考文献:
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 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室

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