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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)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為電池組件本質上是易碎的且在機械負載下很容易斷裂。現(xiàn)有提高電池組件可拉伸性的策略通常涉及復雜的制造工藝，因此不利于可擴展、低成本制造。

為此，美國馬里蘭大學李騰教授等人開發(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，因為它們都顯示出高縱橫比的長纖維形態(tài)，這有利于形成3D編織網(wǎng)絡來包裹活性材料顆粒。

此外，NFC和CNT之間的強氫鍵進一步增強了3D打印油墨的粘度。因此，無需額外的粘結劑（如聚乙烯醇）即可獲得實現(xiàn)3D打印所需的粘度。水性墨水無需使用任何有機溶劑，這使得整個制備過程對環(huán)境友好，并且在操作過程中無需特殊的個人防護設備。

圖1. NFC和CNT的表征及打印可拉伸電極的過程

進一步研究表明，所得電極和隔膜可以實現(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）卓越的機械和電化學性能的起源是雙重的：

（i）3D打印的蛇形結構在組件級別上實現(xiàn)了出色的可變形性，顯著降低了伸長率下產(chǎn)生的應變；

（ii）由于NFC和CNT的高縱橫比及二者之間或單個纖維素纖維之間在材料結構水平上的強相互作用導致的堅固的納米級結構，組件在反復變形下保持機械和電化學完整性。

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

圖2. 3D打印電極和隔膜的機械和電化學完整性

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

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