材料今天

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体积52,2022年1 - 2月刊,80 - 89页
主页今天材料》杂志上

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热了可充电电池纤维使普遍的权力

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.020 获得权利和内容

文摘

需求增加移动计算、通信和机器人提供了一个不断增长的需求在非定制合适的便携式电力解决方案电子设备。纤维织物的基本构建块和3 d打印的对象为发展中普遍存在的多维提供独一无二的机会电力系统。小直径(< 10特征−3米)和高纵横比(> 106)纤维和纤维扩展到2 d和3 d的电力系统需要超长的长度以满足规格的便携式电子系统的能量。在这里,我们提出一个锂电池纤维,首次使用热图纸施工方法与同时发生的多个复杂的电活性流动凝胶粒子,在保护灵活的包层和聚合物。这种自上而下的方式允许生产全功能,任意长度的锂离子纤维电池。连续140纤维电池演示了∼123 mAh的放电容量放电能量217兆瓦∼。这些纤维的可伸缩性和可调谐性材料位置用于各种non-planar电子系统,包括1 d-flexible电子纤维、2 d-large-scale机器编织电子织物(∼1.62),3 d打印的电子系统结构。纤维电池满足需求的便携式电子设备系统,可机洗,灵活,可用的水下,和火/ rupture-safe。我们已经证明了的驱动潜艇无人机、LiFi织物和飞行的无人机通信通过不同充电纤维电池方案,这为普遍的出现铺平了道路电池供电的电子产品。

介绍

电子的形式持续推动创新应用电子系统的极限。目前,先进的电池供电的电子产品可以折叠,灵活、rollable但电池组件仍是刚性和笨重。非传统的电池,将机械灵活、紧凑,批量生产不牺牲能源存储功能的实现需要创新电子新形式因素。纤维提供了一个独特的平台,构建符合这些先进的电力系统自底向上的方式。他们在我们的日常生活中是无处不在的,基本构建块;我们发现面料我们穿,在我们所驾驶的车辆,在我们生活的家园。长长度的纤维可以集成到二维织物或喂养材料构造三维对象。这些机会激励纤维电池,电力的发展一个大套non-planar不同架构的电子从1到3 d电源。

的目标实现能量储存在纤维的焦点之前的出版物[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9]。小直径(< 10−3米)纤维需要延长纤维电池长度(> 102米)以传统电池提供类似的能力。然而,优秀的基本挑战功能纤维的长度有限设备从作品到厘米级[10]。可靠的纤维电池制造应包括材料和一个架构,促进快速离子传输在横向方向上和电子传输在轴向方向上的电化学性能并不妨碍在狭窄的纤维厚度或长纤维长度。在横向方向上,界面的存在差距,特别是电解液和电极之间,减少了纤维离子传输速率。carbon-active材料复合材料作为电极的使用在以前的工作导致高电子抵抗轴向方向,导致length-normalized性能降低纤维长度增加[10]。此外,纤维电池应该表现出环境稳定性、耐水性和健壮的机械属性为了实现其各种各样的应用程序。

preform-to-fiber热拉伸纤维生产方法本质上是一个可伸缩的制造方法——每年1亿多公里的光纤生产使用相同的方法[11],同时提供多个材料能够结合到复杂的纤维结构[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23]。在这种方法中,组成材料组装到一个预成型所需的架构。预成型的横断面几何是保存加热高于熔点和按比例缩小成纤维。最近,一个超双电层电容器(EDLC)纤维和有前途的电化学性能是成功由热画多个凝胶[22]。尽管EDLC使高功率密度、能量存储机制,基于电荷的物理分离,导致固有的低能量密度。因此,使用电池的纤维是首选在高能量密度的情况下是必要的。热的电池组件提供了一个独特的挑战。为了实现层流的截面几何是保存在预成型纤维过渡期间,必须精心挑选的材料有相似的粘度,可以让他们没有混合流。活动电池材料的流变和热机的性能不最初似乎与热画兼容。例如,通常有很高的粒子电极composite-based产生载荷增加粘度,从而抑制流。 Even with a low-viscosity electrode material, co-flowing all the components of a battery while maintaining physical separation of anode and cathode and guaranteeing intimate contact of both electrodes with the electrolyte is a significant challenge. Furthermore, typical battery active materials either have very high melting points or degrade prior to melting. Lastly, high-temperature processing could trigger chemical reactions and material degradation that would render the battery electrochemically deactivated.

这项研究描述了如何解决这些挑战产生第一thermally-drawn锂离子纤维电池完全运行在数百米权力多个电子新形式因素。三个不同的凝胶组件中的每个凝胶是由4到6个不同的阳极材料是实现隔离吸引域,阴极和电解质(图1)。凝胶准备通过thermally-induced相分离(TIPS), PVDF矩阵从欧共体凝固:PC溶剂[24]。提示是一个著名的过程生产相互连通的多孔结构的基础上,与温度有关的聚合物的溶解度[25],[26]。温度升高,形成同质聚合物溶液,在冷却聚合物和溶剂分离。热拉伸方法使不同领域之间的界面粘结用最小的差距在整个长度的纤维作为域接口在液相。同时,热拉伸纤维电池结合了金属微丝集成到一个导电聚合物为了保持轴向导电性而实现结构完整性和全面接触电池电极与当前收集器。然后纤维电池是用于实现兼容电源从1到3 d通过自底向上的方法(即。光纤拉丝机织造,3 d打印)(图1)。这种方法引入了一个普遍的概念纤维电池为下一代移动电子产品。

部分片段

结果与讨论

凝胶电极和电解质可调流变特性开发兼容热拉伸过程。使电极,聚偏二氟乙烯(PVDF)与活性材料混合:磷酸亚铁锂(联赛)作为阴极和钛酸锂(LTO)作为阳极加上附加导电性炭黑。本研究采用锂阴极和纤维LTO阳极电池系统,因为他们是大规模商用

结论

140米长纤维的锂离子电池首次通过preform-to-fiber热制作多个电子新形式因素。为了达到这个目标,thermally-drawable阳极、阴极和电解质凝胶。这些材料在室温下表现为橡胶固体但能流图过程的温度升高,同时仍然保持电化学功能一旦冷却。纤维电池的能量和功率增加

热可拉的电池凝胶

阴极的活性materials-LFP (MTI公司),低温氧化阳极(MTI公司),炭黑(VWR), PVDF (Inc .阿科玛双氧水有限公司遵循严格的)和1 M LiTFSI PC: EC (1:1, v, v)则在200°C的混合argon-glovebox (< 1 ppm的H2O,创新技术)电化学凝胶。活性物质的比例:炭黑:PVDF 55:10:35了重量。混合电解质凝胶是由PVDF和1米LiTFSI PC: EC (1:1, v, v)在200°C。热凝胶涌上玻璃

竞争的经济利益

作者声明没有竞争的经济利益。

数据可用性

这项工作中数据集可以在合理的请求。

宣言的相互竞争的利益

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

这项工作是由麻省理工学院通过MRSEC MRSEC计划支持下的美国国家科学基金会奖号码dmr - 1419807;亚博网站首页美国陆军研究实验室和美国亚搏娱乐网页版登陆陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所,根据合同号w911nf - 13 - d - 000;美国国家科学基金会拨款17亚博网站首页4530号下研究生研究奖学金;亚搏娱乐网页版登陆和DTRA电离辐射与物质的相互作用(IIRM)大学研究联盟(URA所言)奖号码亚搏娱乐网页版登陆

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