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刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

导读: 随着电子设备的发展,柔性电子设备越来越受到大家的重视,这种设备是指在存在一定范围的形变(弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸)条件下仍可工作的电子设备,比如像下面几幅图所示的具有酷炫样式和功能的设备。

3、制备工艺

可以通过打印、涂覆与喷涂工艺来制备柔性电池。这几种工艺都是利用液态的浆料把活性物质复合到自支撑基底上,经干燥得到复合材料。

第一类工艺:打印。对于该工艺,首先是需要配制含有活性物质的墨水(比如石墨烯/碳纳米管,正负极材料粉末),然后在纸张等材料上进行打印,就可以制备纸基柔性电池。在基底材料中,纸张和织物无疑比起塑料、金属材料更为适合打印等工艺的需求。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

喷涂制备锂离子电池的过程示意图

第二大类技术:化学/物理沉积,可以制备大多具有薄膜状构型的复合材料。该方法的优点是活性物质与基底可以形成牢固的化学结合,对于一些理化性质特殊的材料如LiPON电解质,以及锂负极,一些固态电解质的制备,具有特别重要的意义。这类技术特别适合薄膜型锂离子电池的制备,在超薄电池、传感器、微型化方面最有前景,但是其主要问题在于效率低,成本高,大规模生产有一定困难。

第三类:纺织工艺。该工艺特别适合把原材料制备成1D纤维(纺丝)或将纤维型原料制成2D织物(编织)。如果原料为纤维状电池,可以得到2D的多功能能量存储柔性织物,如光电转换与储能的集成器件,在可穿戴设备、智能织物等领域中具有极大的发展前景。

4、具有不同结构、功能的典型柔性电池

(1)叠层型电池——电极结构像三明治一样层层堆叠而成,实际上这种电池也是结构上最为传统的——与我们常用的电池区别不大。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

(2)电线/电缆/纤维型电池。柔性电子器件大多是在平面基底上实现的。与薄膜结构电池相比,线状结构美观、质轻,易于纺成2D的织物或扭成不同用途所需的形状。基于该结构制备的能量存储器件可以作为零件整合到各种电子元件中去发挥供能作用。金属线、碳系材料纤维都可以做成这一类的电池。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

MWCNT纤维型电池/电容器的结构示意图

(3)透明柔性电池。该类技术在与光伏器件整合的光电转换-存储装置、触摸显示装置等方向上有广阔的前景。传统电池中使用的各种材料都是不透明的,但是将其低维化后,他们会变的很细小,这样即使组合起来,光也能透过。金属银就可以通过这种方式,纳米化后与高分子复合制成透明电极材料。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

三明治结构的柔性透明储能器件的结构与实物照片

(4)可拉伸电池。可拉伸器件是可拉伸显示、可拉伸天线、人工肌肉及皮肤传感器等新兴领域的关键技术。此时要求电池能承受至少1%的应变,不仅能弯曲,还要能拉伸、卷绕、压缩等。为了满足这些要求,可以通过优化材料(织物、纤维、橡胶、弹性体等可拉伸物质),以及结构设计(通过为材料设计和使用一些可以抵抗拉伸的宏观结构,如通过预加应力、应变方法,使材料初始位于压缩/褶皱/曲折状态)来制备可拉伸电池。代表性的工作是XU等制备的高拉伸比锂离子电池,该电池使用了分段的布局及对称的可变形蛇纹弯曲状的电学接触结构,具有300%的拉伸变形度和200%的可逆变形度。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

拉伸变形度可达300%锂离子电池的结构示意图

(5)高性能柔性杂化电池/电容。对于柔性电化学储能器件,因为微型化带来的封装等非活性物质占比增加以及柔性化对于材料的其它要求,导致了其能量、功率密度相比于传统的块体型电池/电容有了进一步的降低,而把电池与电容进行杂化可以很好的综合两个体系的性能优势,而且有望在能量、功率密度问题更为严峻的柔性储能器件领域提供更好的解决方案。

(6)与其它器件一体化集成的多功能柔性电池。柔性电池可以与其它器件集成,满足新型电子设备的需求,并且在此中可以发挥更多的想象和创造力。

5、小结

随着科技的进一步发展和需求的进一步多样化,电化学储能器件需要满足更多各个领域提出的全新的要求。近年来,柔性电化学储能器件领域的研究成果丰硕,也已经有许多企业推出了一些相应产品,相应技术将成为重要的发展方向与研究热点。随着技术的发展,该类技术将逐渐走向成熟。材料科学的进步,电子消费品工业的发展、需求以及推动作用应该是该类技术发展的最大动力。

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