3D打印技术构建高能柔性微型锂离子电池及其电极结构稳定性研究

With the rapid development for information technology, flexible, wearable electronics are the emerging and promising technology. Thus, flexible energy storage devices are crucial for the development of wearable electronics. Currently, flexible lithium ion batteries have obstacles in instable electrode structure and low energy density. This project studies the flexible micro lithium ion battery (LIB) produced by 3D printing. The high-capacity sphere electrode materials are developed, and the inks with CNTs are prepared. The formation mechanisms of the 3D conductive network and the strengthened electrode structures are revealed through studying on the distribution of CNTs in electrodes. Then the micro-LIB devices are constructed on embedded flexible substrates by direct-writing 3D printing technology. The relationship between rheology of inks and dimensional accuracy of electrodes is clarified by fluid finite element theory. And the mechanisms of structure evolution and failure of the electrode upon the cycling of strain are studied by the mechanical properties test and in-situ observation of electrodes. In addition, the electrochemical performances of flexible LIB are tested to evaluate the energy density, power density and the cycling performance. The main purpose of this project is to develop flexible micro-LIBs with high energy density and long life. This project will provide technique support and theoretical guidance for the application on flexible electronics.

随着信息技术的快速发展，柔性、可穿戴、智能化是电子设备发展的主要趋势，为电子产品提供能量的储能器件也必须向柔性化发展。目前，柔性电池存在着电极结构不稳定和能量密度低的问题。本项目以3D打印技术构建柔性微型锂离子电池器件为研究对象，开发高容量球形电极材料和含碳纳米管墨水体系，研究电极结构中碳纳米管分布状态与排列方式，揭示柔性电极的三维导电网络形成机理和电极结构强化机制；应用直写式3D打印技术在微纳技术加工的嵌入式柔性基底上构建微电池，借助流体有限元理论，阐明墨水流变性与电极尺寸精度之间的关系；在微电池机械应力循环过程中对电极进行力学性能测试和原位结构观察，揭示应力循环过程中电极结构衍变机理和失效机制；评价柔性锂离子电池的能量密度、功率密度和循环性能，开发高能量密度和长寿命的柔性微型锂离子电池，为满足柔性微纳器件的应用提供技术支撑和理论指导。

随着信息技术的快速发展，柔性智能化是电子设备发展的主要趋势，电子设备的发展离不开高性能储能材料与器件的制备，而柔性电池存在着电极结构不稳定和能量密度低的问题。本项目以3D打印构建高性能微型电子器件为研究对象，开发高性能一体化电极，构建具有高机械稳定性和长寿命的3D微型电池储能器件，打印的微电池相较于传统的涂布电池在循环寿命和大功率放电上具有更优异的性能，在负载高达32 mg/cm2时，实现了超高面容量5 mAh/cm2。电极材料是器件性能的关键性因素，因此对过渡金属和过渡金属化合物的电极材料进行高效合成，系统研究反应条件对材料生长的影响因素，掌握高性能材料制备技术及方法，基于Ni/T-Nb2O5@C复合材料表现出优异的电化学性能，在10.0 A/g 的电流密度循环1400圈后容量保持率依旧还有73%；并研究电极材料在不同嵌锂状态下的电导，揭示锂离子嵌入量与电极材料电导变化之间的内在联系，阐明电极的导电网络与电化学性能之间的内在作用机理。金属负极具有高理论容量，是目前的研究热点，本项目通过亲锂3D多孔骨架的设计与可控制备，调控骨架的孔结构和亲锂性，优化锂沉积的电场分布，增大锂与宿主材料之间的结合能，抑制锂枝晶生长，原位生成的三维Li-B合金阳极可以作为下一代高能密度LMBs的理想替代材料。研究了水系电极材料的本征电化学性能，建立电极材料的形貌、结构与电化学性能之间的关系，并对锌金属负极进行改性研究，探索了其抑制枝晶机理。这些研究成果都为电池材料以及金属电池的产业化应用提供理论指导和技术支撑，取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等具有一定的科学意义和应用前景。