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馬里蘭大學(xué)李騰Mater. Today: 3D打印的高性能可拉伸鋰離子電池！

隨著可穿戴和可植入電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，這對可拉伸電池的需求激增。然而，可拉伸電池的開發(fā)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵亟M件本質(zhì)上是易碎的且在機(jī)械負(fù)載下很容易斷裂。現(xiàn)有提高電池組件可拉伸性的策略通常涉及復(fù)雜的制造工藝，因此不利于可擴(kuò)展、低成本制造。

為此，美國馬里蘭大學(xué)李騰教授等人開發(fā)了一種簡便而有效的策略，使用與納米原纖化纖維素（NFC）混合的活性材料基于擠出式3D打印來制造用于鋰離子電池的可拉伸電極和隔膜。為了形成用于3D打印的穩(wěn)定且均勻的水性墨水，作者使用NFC作為表面活性劑將碳納米管（CNT）和活性材料分散在水中。NFC和 CNT都有助于提高油墨的粘度，因?yàn)樗鼈兌硷@示出高縱橫比的長纖維形態(tài)，這有利于形成3D編織網(wǎng)絡(luò)來包裹活性材料顆粒。

此外，NFC和CNT之間的強(qiáng)氫鍵進(jìn)一步增強(qiáng)了3D打印油墨的粘度。因此，無需額外的粘結(jié)劑（如聚乙烯醇）即可獲得實(shí)現(xiàn)3D打印所需的粘度。水性墨水無需使用任何有機(jī)溶劑，這使得整個(gè)制備過程對環(huán)境友好，并且在操作過程中無需特殊的個(gè)人防護(hù)設(shè)備。

圖1. NFC和CNT的表征及打印可拉伸電極的過程

進(jìn)一步研究表明，所得電極和隔膜可以實(shí)現(xiàn)50% 的可逆拉伸性。經(jīng)過50次拉伸循環(huán)后，50%拉伸下的電極電阻僅增加3%。3D打印電池組件（電極和隔膜）卓越的機(jī)械和電化學(xué)性能的起源是雙重的：

（i）3D打印的蛇形結(jié)構(gòu)在組件級別上實(shí)現(xiàn)了出色的可變形性，顯著降低了伸長率下產(chǎn)生的應(yīng)變；

（ii）由于NFC和CNT的高縱橫比及二者之間或單個(gè)纖維素纖維之間在材料結(jié)構(gòu)水平上的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致的堅(jiān)固的納米級結(jié)構(gòu)，組件在反復(fù)變形下保持機(jī)械和電化學(xué)完整性。

因此，這種電極/隔膜的簡便3D打印導(dǎo)致高性能可拉伸鋰離子電池的低成本制造，展示了在實(shí)現(xiàn)可拉伸儲能設(shè)備和促進(jìn)可穿戴/植入電子設(shè)備方面的巨大潛力。

圖2. 3D打印電極和隔膜的機(jī)械和電化學(xué)完整性

Toward stretchable batteries: 3D-printed deformable electrodes and separator enabled by nanocellulose, Materials Today 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.02.015

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