[論文レビュー] Flexible, solid electrolyte-based lithium battery composed of LiFePO4 cathode and Li4Ti5O10 anode for applications in smart textiles

Yang Liu, Maksim Skorobogatiy|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2011

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、スマートテキスタイルへの統合を目的とした、LiFePO4正極およびLi4Ti5O10負極を備えたポリエチレンオキシド（PEO）ベースの固体電解質を用いた柔軟性があり、固体電解質を備えたリチウムイオン電池を提案する。この電池は、機械的柔軟性、水系プロセスによる環境適合性、および機能的な電気的接続性を備えたテキスタイル構造への織り込みに成功している。

ABSTRACT

Here we report fabrication of flexible and stretchable battery composed of strain free LiFePO4 cathode, Li4Ti5O10 anode and a solid poly ethylene oxide (PEO) electrolyte as a separator layer. The battery is developed in a view of smart textile applications. Featuring solid thermoplastic electrolyte as a key enabling element this battery is potentially extrudable or drawable into fibers or thin stripes which are directly compatible with the weaving process used in smart textile fabrication. The paper first details the choice of materials, fabrication and characterisation of electrodes and a separator layer. Then the battery is assembled and characterised, and finally, a large battery sample made of several long strips is woven into a textile, connectorized with conductive threads, and characterised. Within this paper, there are two practical aspects of battery design that we have investigated in details: first is making composites of cathode/anode material with optimized ratio of conducting carbon and polymer binder material, and second is battery performance including cycling, reversibility, and compatibility of the cathode/anode materials. Finally, when casting electrodes and separator layer we mostly focused on using aqueous solutions instead of organic solvents in order to make the fabrication process environmentally friendly.

研究の動機と目的

• スマートテキスタイル用途のため、テキスタイル製造プロセスと互換性を持つ柔軟性・装着性のある電池の開発。
• 電極および電解質プロセスにおいて有機溶媒の代わりに水系溶液を用いることで、環境に優しいプロセスの実現。
• 導電性カーボンおよびポリマー接着剤を最適化した複合電極配合の開発により、電気化学的性能の向上。
• 導電性糸を用いた電気的接続により、織り込み可能なテキスタイル構造への電池統合の実証。
• LiFePO4およびLi4Ti5O10の固体状態で柔軟な構成において、サイクリング安定性、可逆性、および適合性の検証。

提案手法

• カーボンブラックおよびポリマー接着剤を用いた水系スラリーキャスト法による応力のないLiFePO4正極およびLi4Ti5O10負極の作製。
• 機械的柔軟性およびイオン伝導性を実現するセパレータ層としての固体ポリエチレンオキシド（PEO）ベース電解質の開発。
• ラミネートされた電極および電解質層を用いたセルの組立後、界面接触を確保するための圧縮処理。
• 導電性糸を用いて電池ストリップを接続し、織り込み可能なテキスタイル構造への電気的統合。
• サイクリング安定性、コルチウム効率、レート能力を含む電気化学的性能の評価。
• 複数の電池ストリップをテキスタイル生地に織り込み、統合後の電気的機能性をテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水系プロセスを用いた固体電解質ベースのリチウムイオン電池を製造可能か。これによりスマートテキスタイル向けに環境に配慮した持続可能な生産が可能になるか。
• RQ2 機械的応力および繰り返しサイクリング下で、柔軟な固体状態構成におけるLiFePO4およびLi4Ti5O10の組み合わせの性能はいかが。
• RQ3 電池部材を、テキスタイルの織り込みプロセスに適合する繊維または薄いストリップに引き出しまたは押出し可能か。その程度は。
• RQ4 PEOベースの固体電解質を用いて組立されたセルの電気化学的安定性および可逆性は。
• RQ5 導電性糸による接続を用いて複数の電池ストリップを統合した機能的な織り込みテキスタイル構造を実現できるか。性能に悪影響を及げないか。

主な発見

• 電池は機械的柔軟性および伸縮性を示し、構造的劣化を伴わずにテキスタイル基板に統合可能であった。
• 電極およびPEO電解質層の水系プロセスの使用により、有機溶媒ベースの方法と比較して環境への影響が顕著に低減された。
• 全セルは安定したサイクリング性能を示し、高いコルチウム効率を確認した。これにより、固体状態構成におけるLiFePO4/Li4Ti5O10系の電気化学的可逆性が裏付けられた。
• 複数の長尺ストリップで構成される大規模な電池サンプルが、成功裏にテキスタイルに織り込まれ、導電性糸による電気的接続が実現され、機能的統合が実証された。
• PEOベースの固体電解質は、柔軟構成における繰り返し充放電サイクルを支えるのに十分なイオン伝導性および界面安定性を提供した。
• 織り込み後も、電池は構造的整合性および電気化学的性能を維持しており、テキスタイル製造プロセスとの適合性が確認された。