马里兰大学李腾Mater. Today: 3D打印的高性能可拉伸锂离子电池！

随着可穿戴和可植入电子产品的出现，这对可拉伸电池的需求激增。然而，可拉伸电池的开发仍然是一个巨大的挑战，因为电池组件本质上是易碎的且在机械负载下很容易断裂。现有提高电池组件可拉伸性的策略通常涉及复杂的制造工艺，因此不利于可扩展、低成本制造。

为此，美国马里兰大学李腾教授等人开发了一种简便而有效的策略，使用与纳米原纤化纤维素（NFC）混合的活性材料基于挤出式3D打印来制造用于锂离子电池的可拉伸电极和隔膜。为了形成用于3D打印的稳定且均匀的水性墨水，作者使用NFC作为表面活性剂将碳纳米管（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，因为它们都显示出高纵横比的长纤维形态，这有利于形成3D编织网络来包裹活性材料颗粒。

此外，NFC和CNT之间的强氢键进一步增强了3D打印油墨的粘度。因此，无需额外的粘结剂（如聚乙烯醇）即可获得实现3D打印所需的粘度。水性墨水无需使用任何有机溶剂，这使得整个制备过程对环境友好，并且在操作过程中无需特殊的个人防护设备。

图1. NFC和CNT的表征及打印可拉伸电极的过程

进一步研究表明，所得电极和隔膜可以实现50% 的可逆拉伸性。经过50次拉伸循环后，50%拉伸下的电极电阻仅增加3%。3D打印电池组件（电极和隔膜）卓越的机械和电化学性能的起源是双重的：

（i）3D打印的蛇形结构在组件级别上实现了出色的可变形性，显著降低了伸长率下产生的应变；

（ii）由于NFC和CNT的高纵横比及二者之间或单个纤维素纤维之间在材料结构水平上的强相互作用导致的坚固的纳米级结构，组件在反复变形下保持机械和电化学完整性。

因此，这种电极/隔膜的简便3D打印导致高性能可拉伸锂离子电池的低成本制造，展示了在实现可拉伸储能设备和促进可穿戴/植入电子设备方面的巨大潜力。

图2. 3D打印电极和隔膜的机械和电化学完整性

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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