[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种基于固态电解质的柔性锂离子电池，采用LiFePO4正极和Li4Ti5O10负极，电解质为聚氧化乙烯（PEO）基固态电解质，旨在集成于智能纺织品中。该电池展现出机械柔性、通过水性工艺实现的环境友好性，并成功编织入纺织结构中，实现功能性电连接。

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.

研究动机与目标

• 开发一种与纺织制造工艺兼容的柔性可穿戴电池，适用于智能纺织品应用。
• 通过在电极和电解质制备过程中以水溶液替代有机溶剂，实现环境友好的制造工艺。
• 优化复合电极配方，添加导电碳和聚合物粘结剂，以提升电化学性能。
• 展示利用导电纱线实现电连接，将电池集成到编织纺织结构中的可行性。
• 验证LiFePO4和Li4Ti5O10在固态、柔性结构中的循环稳定性、可逆性及兼容性。

提出的方法

• 采用水性浆料浇铸工艺制备无应变的LiFePO4正极和Li4Ti5O10负极，添加炭黑和聚合物粘结剂。
• 开发基于聚氧化乙烯（PEO）的固态电解质作为隔膜层，实现机械柔性和离子电导率。
• 通过层压电极与电解质层并施加压力，确保界面接触良好，组装全电池。
• 使用导电纱线连接电池条，实现电学上集成至编织纺织结构中。
• 表征电化学性能，包括循环稳定性、法拉第效率和倍率性能。
• 将多条电池条编织入纺织品，并在集成后测试其电功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过水性工艺制备基于固态电解质的锂离子电池，以实现智能纺织品的环境可持续生产？
• RQ2 LiFePO4与Li4Ti5O10在机械应力和反复循环条件下，其柔性固态配置下的性能表现如何？
• RQ3 电池组件在多大程度上可被拉制成纤维或与纺织编织工艺兼容的薄条状结构？
• RQ4 采用PEO基固态电解质组装的全电池，其电化学稳定性和可逆性如何？
• RQ5 能否通过导电纱线连接多条电池条，实现功能性编织纺织结构，且不损害性能？

主要发现

• 该电池展现出机械柔性和可拉伸性，可在不引起结构退化的情况下集成至纺织基底中。
• 电极和PEO电解质层采用水性工艺显著降低了与有机溶剂工艺相比的环境影响。
• 全电池表现出稳定的循环性能和高法拉第效率，证实了LiFePO4/Li4Ti5O10体系在固态配置下的电化学可逆性。
• 由多条长条状电池组成的大型样品成功编织入纺织品，并通过导电纱线实现电连接，证明了功能集成的可行性。
• PEO基固态电解质提供了足够的离子电导率和界面稳定性，支持在柔性结构中实现反复充放电循环。
• 编织后的电池保持了结构完整性和电化学性能，证实其与纺织制造工艺具有兼容性。