可穿戴纤维锂离子电池的3D打印技术

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。

 
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。

 
图2 纤维锂离子电池制造过程及微观结构

 
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。

 
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).、