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柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

导读: 近年来,随着电子技术的快速进步,越来越多的电子设备正在向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展,例如三星和LG等公司都推出了曲面屏手机,并且正在计划研制可折叠、可弯曲的新一代产品。

柔性锂离子电池

先来看一下商用锂离子电池的基本结构。如图,正负极由活性电极材料、导电剂(如碳黑)、粘结剂(如聚偏氟乙烯)和集流体(如铜箔、铝箔)组成。当电池弯曲时,电极材料和集流体易发生分离,轻则接触不良,重则造成短路。因此,怎么样才能防止电极材料和集流体分离是电池柔性化研究的第一步。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

锂离子电池示意图。图片来自网络

思路1:二维“纸电极”

纸张是有柔韧性的,要是能把电极材料和集流体合二为一变成一张纸,问题不就解决了么?载有活性材料的碳纸、碳纳米管(CNT)纸、石墨烯纸被纷纷报道,制备方法也是多种多样,从简单的涂布法到真空抽滤法,再到复杂的CVD、原位水热沉积等等。

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柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

碳纸

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

CNT纸

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

真空抽滤法

思路2:“海绵电极”

活性材料填在多孔电极的孔隙中,即不容易脱离,又能解决充放电过程中活性材料的膨胀问题。

思路3:“织物电极”

碳纤维织物也是良好的集流体,在表面沉积活性物质,不但能实现柔性化,还可以减少粘合剂的使用。

几种二维电极虽然能解决柔性电极的问题,但提高活性比表面积和导电率进而提高电池比容量又成为了电极材料和结构设计的主要挑战。因此出现了各种具有高性能的三维电极,包括阵列结构、线型结构、多孔支架等。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

三维电极结构,图片来源:Adv. Mater.

再来看看电解质的问题,目前广泛使用的液体电解质具有易泄漏、易燃和化学稳定性差等缺点,更使柔性电池的可弯曲性受到了很大的限制。而近年来发展起来的固体电解质恰好解决了传统的液体电解质稳定性差的问题,大大提高了锂电池的安全性,也有利于柔性锂电池的机械性能。这里,值得一提的是,Sang Young Lee的小组报道的柔性全固态电池,这种电池通过模板印刷工艺“打印”出来,可以形成复杂的几何形状。

此外,锂硫电池、锂氧电池以及钠电等新型电池也加入到了柔性化的研究中。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

可打印柔性全固态电池制造过程示意图,图片来源:Adv. Mater.

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