你敢信?麻省理工做了个电池长140米,一作现在去了苹果公司工作

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第一作者:Tural Khudiyev, Benjamin Grena
通讯作者:Jun Tae Lee
相关单位:韩国庆熙大学,麻省理工学院


移动计算、通信和机器人技术的不断发展,对非平面电子设备的电源适配器提出越来越高的要求。纤维作为织质物和 3D 打印物体的基本模块,为开发无处不在的多维电力系统提供了独特的机会。纤维的直径小(<1 mm) 和纵横比大 (>106)。超长度的纤维电池可实现其向 2D 和 3D 电力系统的扩展,从而满足便携式电子的能量规格要求。


鉴于此,韩国庆熙大学和麻省理工学院合作在不损害纤维内部柔性包层的同时,利用电活性凝胶、颗粒和聚合物为电解质和活性物质,通过的热拉伸方法,制备了一种锂离子纤维电池。这种自上而下的方法可以生产功能齐全且具有任意长度的锂离子纤维电池。140 m纤维电池的放电容量约为123 mAh,放电能量约为217 mWh。由于纤维的可扩展性和材料可调性,使得纤维电池可用于各种非平面电子系统,满足便携式电子系统的要求,包括一维柔性电子纤维、二维大型机织电子织物(~1.6 平方米)和 3D 打印结构电子系统。此外,该纤维电池安全性高,具有防水、防火、防断裂的特性,可在安全水下。工作人员这种可充光纤电池,展示了其能够有效地为潜艇无人机、LiFi 织物和无人机通信设备提供电力,这为普及电池供电电子产品的出现铺平了道路。


【详细内容】

图1展示了纤维电池的拉伸制备工艺、电池各个组成部分以及其在不同2D和3D柔性多维电子产品中的应用示意图,显示纤维电池具有广泛的应用前景,能够满足不同电子设备的供电要求。

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图 1.纤维电池拉伸制备过工程示意图及其扩展为 2D 和 3D 柔性多维电子产品。


图 2a显示了纤维电池样品的侧视图和截面图,其中 LTO 阳极和 LFP 阴极被透明电解质隔开。图 2c钛和铁的能量色散光谱 (EDS) 扫描图显示出了 LTO阳极和 LFP阴极的特征元素,同时也证实了粒子偏析。图 2d的扫描电子显微镜(SEM)进一步揭示了干电池凝胶组件的微观结构。电极和电解质都显示出高度多孔的固体骨架结构,这是由于 PVDF 和混合溶剂在低温下的相分离引起。LTO 和 LFP 电极之间的微小微观结构差异可能是由于原始颗粒的形态差异所致。电极中的这种孔隙能够提高Li+与活性物质的接触面积,尤其是在厚电极中,并且多孔微结构还能够提高电解质和电极之间的离子传输通量。


图 2e 显示了 LFP-LTO 纤维电池在 1 µA cm-1 倍率(~C/5)下从 1.0 V 到 2.4 V 的典型充放电曲线。纤维电池表现出清晰的充放电平台,这是因为纤维电池中的 LTO 和 LFP 电极,相比纽扣电极更薄(~120 与 500 µm),因此电极间的内阻会更低。纤维电池在 100 次循环中显示出近 90% 的容量保持率,在 5 C (25 µA cm-1) 的较快倍率下,库仑效率 (CE) 约为 99%(图 2f)。与传统的锂离子电池系统相比,初始 CE 较低。然而,由于拉伸过程中的空气/水分污染,纤维拉伸后的初始 CE 较低。如果光纤在环境气氛下拉伸,则初始 CE 仅为 0.07%。然而,在最大限度减少拉丝塔中的空气/水分后,该 CE 显着增加。在更可控的环境下通过热拉伸可以进一步提高初始 CE。由于更高负载量的活性材料,纤维电池的绝对能量和功率输出随着纤维长度的增加而线性增加,而不会牺牲性能(图 2g)。平均而言,纤维电池的长度归一化比放电能量为 9.6±1.4 µWh/cm,长度归一化功率密度为 1.9±0.4 µW/cm。平衡 N/P 比在全电池中很重要,通常,商用锂离子电池的 N/P 比在 1.03 到 1.2 之间。在本研究中,基于理论容量,纤维电池的N/P 比为~1.03。


图 2h展示了一个140 米长的全功能纤维电池的放电容量为123 mAh(8.8 µAh/cm),放电能量为 217 mWh(15.5 µWh/cm),足满足许多电池的供电需求,如可穿戴设备、消费产品和医疗设备等应用。通过在阴极和阳极凝胶中引入更多活性材料,这种140米长纤维的长度归一化容量和能量值比图 2e-f 中使用的纤维电池增加了约70%。对10 m和 140 m纤维电池的电化学阻抗谱研究清楚地显示出几乎相同的电荷转移电阻,表明稳定的纤维拉伸和沿纤维长度不变的电池微观结构(图 2i)。理论电压降计算表明纤维电池中的 Cu 微线对140 m长纤维电池产生的电势降可以忽略不计。热拉拔工艺的另一个优点是可以通过改变绞盘速度的同时保持纤维的横向尺寸不变。

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图 2. 纤维电池的形貌和电化学性能表征。


热拉伸纤维电池在较长的长度上具有线性保持的功能,因为它可以通过自下而上的方法组装到任何所需尺寸和形状因子的电子系统中,从而实现无处不在的电力供应。图 3展示了LED 和电池组件在同一根10米长、横截面积为1.2 mm × 1.2 mm的光纤中共同拉伸性,体现了热拉伸方法能够制造多功能光纤的能力。利用离散 LED 微芯片和电池光纤均由弹性 COC封装,可以实现更灵活和柔软的光纤设备的制备(图 3a)。

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图 3. (a) 集成LED/电池光纤及其相应电路的示意图,(b)10米长的LED/电池光纤,(c)由同一光纤内的光纤电池供电的绿色LED。


传统纱线和纤维电池的尺寸相似性和材料兼容性有助于通过机器编织将其集成到二维织物电子设备中。图 4a 所示,在电池设计中添加了一个二次弹性 COC 包层,并拉制了一个 100米长的纤维电池,具有柔软和灵活的特点。电池纤维通过传统的自动织机(图 4a)编织成大型纺织品(135 × 120 cm2),展示了下一代可穿戴电子产品的前景。通过在智能纺织品中使用纤维电池作为单元块,可以通过串联或并联纤维来控制纺织品电池组的容量和电压。例如,当三根光纤并联时容量变为三倍,当两根光纤串联时电压增加一倍(图 4b)。因此,电池阵列的容量和电压可以针对特定应用自由调整。热拉伸纤维电池可以承受约 33 MPa 的最大拉伸应力和约 34% 的失效应变(图 4c)。当拉伸应力大于 27 MPa 时,阳极与阴极接触,导致电化学功能失效。经过1000次重复机械弯曲循环后,96% 的初始容量在30次充放电循环中保持不变(图 4d)。在动态弯曲和扭曲的组合期间,光纤继续仍能为 LED 供电。此外,经过十次机洗循环后,热拉伸纤维电池表现出几乎相同的电化学性能(图 4d)。纤维电池可与额外的纤维内功能相结合。图 4e 所示,为一个100米的光纤电池为带有前置放大器、晶体管和二极管的麦克风的织物供电。

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图 4. 热拉伸纤维电池在不同二维电子产品中的应用以及其电化学性能测试。


热拉伸工艺的可扩展性和纤维材料的可调节性,能够使热拉伸纤维电池作为供电系统,在各种3D电子产品中具有很好的应用前景。图 5a所示,在单次热拉伸过程中,可生产数百米的电池纤维,在 COC 初级包层周围带有可印刷的聚己内酯 (PCL) 二次包层。这些纤维电池的可印刷性的关键是存在热梯度包层结构,其中玻璃化转变温度从外部PCL包层增加到内部COC包层。在打印温度下,PCL包层熔化并与相邻的打印纤维融合,而COC材料保持固态,保护内部电池在打印过程中不会混合和变形。如图 5b-c所示,电池纤维被打印成多种形状,包括飞行无人机的外壳。LED 和由印刷电池外壳供电的光电二极管演示了从一架无人机的发光二极管到另一架无人机的光电二极管的通信(图 5c)。图5d所示3D打印电池的质量受打印温度和打印速度的影响很大。电池灯丝的印刷应在足够高的温度下进行以熔化灯丝,但不能太高以防止结构损坏。打印速度与电池灯丝的冷却以及生产良率有关。所有这些演示都说明了纤维电池具有很高的潜力,可以打印成任何所需的形状。

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图 5. 热拉伸纤维电池在各种3D电子产品中的应用以及电化学性能测试。


【结论与总结】

该工作首次通过预成型到光纤的热拉伸工艺,生产了 140 米长的锂离子纤维电池,以新形式为多个电子设备供电。为了实现这一目标,开发了可热拉伸的阳极、阴极和电解质凝胶。这些材料在室温下表现为橡胶状固体,但能够在拉伸过程的高温下流动,同时在冷却后仍保持电化学功能。纤维电池的能量和功率随纤维长度成比例增加而不受长度的限制,放电容量为~123 mAh,放电能量为~217 mWh。这项研究证明了纤维电池,能够为不同维度的柔性电子产品供电,为不同电子产品提供了一种普遍电源解决方案。热拉伸纤维电池的多功能性和多维性,将为新一代智能纤维、织物和 3D 对象电子系统提供动力。


文献信息:

Tural Khudiyev, Benjamin Grena, Gabriel Loke, Chong Hou, Hyeonji Jang, Jinhyuk Lee, Grace H.Noel, Juliette Alain, John Joannopoulos, Kang Xu, Ju Li, Yoel Fink, Jung Tae Lee, Thermally drawn rechargeable battery fiber enables pervasive power, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.020


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参考文献: