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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。

柔性超级电容器

详细的看完柔性锂电池,我们再来简单的看看柔性超级电容器的发展。研究者从二维层间柔性电极结构、二维平面电极结构、三维电极结构三个方面总结了柔性超电的发展。其中,比较有趣的一篇是以石墨烯为基面通过等离子体刻蚀法制备的叉指型微型超级电容器。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

兼具柔性和透明性的微型超级电容器,图片来源:Adv. Mater.

可伸缩锂离子电池

在过去十年柔性电极发展的同时,可伸缩的基础技术也在发展。然而,直到2009年,可伸缩技术才从医学植入研究扩展到了可伸缩储能器件的研究。相比于柔性器件,可伸缩储能器件对结构和材料设计有更高的要求。通常,可伸缩器件主要有两种方式:一种是材料(电极和电解质)本身具有弹性,另一种是通过设计新型结构使刚性组分具有可伸缩能力。目前对于电池和电容器而言,后者比前者更容易实现,因为弹性有机活性物质制备的电极其电化学性能还远远无法和传统材料相比。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

“多孔框架结构”可伸缩电极,图片来源:Adv. Mater.

设计新型结构,主要包含三种:多孔框架结构、波浪结构、螺旋弹簧结构。其中多孔框架结构的研究最多,然而最大拉伸倍率一般都不超过100%。波浪结构和螺旋弹簧结构设计难度更大,但拉伸倍率也相对大很多。2013年,美国西北大学的黄永刚教授和美国伊利诺伊大学的John A. Rogers在Nat. Commun.杂志上发表的“Stretchable batteries with self-similar serpentine interconnects and integrated wireless recharging systems”是比较早的(印象中是第一篇)这种电极结构的报道了。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

可伸缩电池照片及结构示意图。图片来源:Nat. Commun.

从下面这个视频中我们可以看到,这种电池可以为LED灯持续供电,即使是拉伸、折叠、弯曲,甚至安装在手肘上也能照常工作。


视频来源:Adv. Mater.

同样比较有名的应该属复旦大学的彭慧胜课题组的研究了。2015年在Adv. Mater.杂志上发表的工作,“A Gum-Like Lithium-Ion Battery Based on a Novel Arched Structure”通过聚合物实现了电池的伸缩性。随后,2016年,他们又在Angew. Chem. Int. Ed.和JMCA杂志上发表工作,制备了基于纤维状结构的可伸缩锂电池和铝空气电池。

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

波浪型电池,图片来源:Adv. Mater.

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

柔性储能器件及可伸缩储能器件的发展情况总结

图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

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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

图片来源:JMCA

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