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美国杜克大学化学学院Benjamin J. Wiley研究组--采用熔丝制造三维打印完整的锂离子电池
点击次数:478  更新时间:2018-12-26  【打印此页】  【关闭
石墨烯杂志 昨天

3D打印任意几何结构锂离子电池(LIB)的能力不仅要求电池外形尺寸满足于特定产品设计,也便于使用电池作为结构组分。实现这一目标的主要障碍是聚合物低的离子电导率。这个文章主要发展了阳极,阴极和隔膜材料,将其用于3D打印完整的锂离子电池,采用的是低成本和广泛存在的熔丝制造(FFF)3D打印机。聚(乳酸)(PLA)注入碳酸甲乙酯,碳酸亚丙酯和LiClO4的混合溶液中,其离子电导率达0.085 mS cm-1,该值与聚合物和混合电解质的离子电导率相当。不同的导电(导电炭黑,石墨烯,多壁碳纳米管)和活性(钛酸锂,锂锰氧化物)材料混入PLA中,以决定填料负载,电导率,电荷存储容量和可印刷性之间的关系。高达30%体积(固体)可以混入PLA中,且保持其可印刷性不衰减,导电剂与活性材料的比例为80:20时,优化了充电存储容量。在阳极中使用钛酸锂和石墨烯纳米片,在阴极中使用锂锰氧化物和多壁碳纳米管,获得了最高电容量。这里,我们证明了这些新奇的材料应用在完全3D打印纽扣电池和3D打印可穿戴电子备(集成电池)之中。

      Figure 1. PLA被注入各种碳酸酯溶剂时的(a)离子电导率对数与体积变化百分比的关系;(b)在空气中储存后PLA被注入锂盐时的离子导电性。


      Figure 2.导电碳用于可印刷复合材料的的SEM图像:(a)石墨烯,(b)多壁碳纳米管(MWNT),和(c)导电炭黑;(d)负载到PLA中的导电炭黑,石墨烯和MWNT的电阻率与体积百分比的关系;(e,f)阳极和阴极分别的平均容量与PLA中导电碳与活性材料比例的关系。

      

Figure 3.(a)阳极和(b)阴极组成和容量比较。


      Figure 4.阳极和阴极复合材料的半电池测试。(a)阳极和(b)阴极复合材料在20 mA g-1电流密度下进行100次循环的充电/放电容量和库仑效率;阳极和阴极复合材料的(c,d)倍率性能和(e,f)放电电压曲线。


      Figure 5.(a)3D打印的LMO阴极和(b)3D打印的LTO阳极的循环伏安图;(c)3D打印阳极,阴极半电池和3D打印全电池的奈奎斯特图,插图显示了3D打印阳极和阴极图的区域对比。


      Figure 6.(a)3D打印纽扣电池的各个组件;(b)组装的3D打印纽扣电池;(c)在20 mA g-1电流密度下循环100次的容量和库仑效率;(d)全电池在循环第1圈,第10圈,第50圈和第100圈的充放电电压曲线。


      Figure 7.(a)单个打印电池。 (b)横截面显微镜图,显示单个打印电池的各个层;(c)3D打印电池点亮LED图片;(d)单个打印电池在20 mA g-1电流密度下循环10圈的容量和库仑效率。


      Figure 8.(a)3D打印LCD太阳镜;(b)示范LCD在关闭和开启状态下传输和阻挡杜克教堂的图片;(c)3D打印手镯电池拆开的各种组件;(d)组装的3D打印手镯电池驱动LED。

      该研究工作由美国杜克大学化学学院Benjamin J. Wiley研究组于2018年发表在ACS Appl. Energy Mater.期刊上。原文:Three-Dimensional Printing of a Complete Lithium Ion Battery with Fused FilamentFabrication(DOI: 10.1021/acsaem.8b00885)