【背景介绍】

传统的笨重和刚性的电力系统不能满足穿戴式设备的柔性和透气性的要求。尽管在开发具有足够柔性的各种1D能量存储设备方面付出了巨大努力，但是在制造的可扩展性，成本和效率上仍然存在挑战。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学赵九蓬教授、马里兰大学胡良兵副教授和Kun (Kelvin) Fu（共同通讯）等人报道了应用可扩展，低成本，高效率的3D打印技术来制造柔性全纤维锂离子电池（LIB）。使用含有碳纳米管和磷酸铁锂（LFP）或锂钛氧化物（LTO）的高粘度聚合物油墨分别打印LFP纤维阴极和LTO纤维阳极。两个纤维电极在半电池中表现出良好的柔性和高的电化学性能。全纤维LIB可以通过将打印后的LFP和LTO纤维与凝胶聚合物一起作为准固体电解质进行组装。全纤维器件在50 mA g-1的电流密度下表现出≈110mAh g-1的高比容量，并保持了纤维电极良好的柔性，这可用于未来的可穿戴电子设备。相关成果以题为“3D-Printed All-Fiber Li-Ion Battery toward Wearable Energy Storage”发表在了Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1 3D打印全纤维柔性LIB的设计理念和制造工艺原理图

a）3D打印制作工艺

b）纤维状电池在可穿戴应用中的应用

图2 LFP/CNT/PVDF，LTO/CNT/PVDF油墨和传统LFP浆料油墨的流变性能

a）LFP / CNT / PVDF和LTO / CNT / PVDF油墨的表面粘度作为剪切速率的函数

b）储能模量，G′和损耗模量G′作为剪切应力的函数

c）传统LFP浆料表面粘度作为剪切速率的函数

d）存储模量，G′和损耗模量G′作为传统LFP浆料剪切应力的函数

e）LFP / CNT / PVDF油墨的存储和损耗模量作为时间的函数

f）LTO / CNT / PVDF油墨的存储和损耗模量作为时间的函数

图3 纤维状LFP电极的形态特征

a）打印过程中湿光纤的光学图像

b）从凝固浴中除去湿纤维的光学图像

c）干纤维的光学图像

d，e）原始和拉伸纤维的光学图像

f）带有负重的纤维光学图像

g）LFP纤维的SEM图像

h）LFP纤维的横截面图

i）由三根LFP纤维组成的纱线的SEM图像

j）涂覆在纱线纤维上的聚合物层的SEM图像

k）凝胶电解质涂层的放大SEM图像

l）纤维上聚合物涂层的放大横截面SEM图像

图4 基于具有液体电解质的纽扣电池的半电池和全电池的性能

a）LFP纤维半电池的充放电曲线

b）LFP纤维半电池的循环稳定性

c）LTO维纤半电池的充电和放电曲线

d）LTO纤维半电池的循环稳定性

e）全电池的充放电曲线

f）全电池的循环稳定性分布

图5 全纤维LIB器件与凝胶电解质的电化学性能

a）全纤维LIB器件示意图

b）全维纤LIB器件的充放电曲线

c）循环稳定性曲线

d，e）全纤维设备的演示

f）编织成纺织品的纤维电池的图示

g）展示纤维电极与纺织织物整合的图片

【小结】

该团队使用先进的3D打印技术实现了全纤维柔性锂离子电池的智能设计和快速制造。在这项工作中开发的快速，低成本，可扩展的3D打印方法将为智能，柔性和可穿戴的全纤维能量存储设备开辟新的途径。