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柔性锂离子电池储能设备综合解析

导读: 对于锂离子电池和超级电容器等化学电源来说,实现柔性最大的阻碍是集流体的柔性化设计,不但要保证柔性电极具有良好的机械性能,还要具有良好的电化学性能。

3D电极柔性锂离子电池

锂离子电池的容量和倍率性能与电极的活性面积有着密切的关系,通过对锂离子电池的电极结构进行改进,增加电极的活性面积,提高Li+的扩散动力学条件是提升锂离子电池性能的重要途径。最近的研究发现,具有3D结构的碳纺织品具有良好的导电性能还具有极佳的机械性能,因此十分适合用来取代传统的金属集流体。通过在碳纤维的表面生长一层ZnCo2O4纳米线材料,负极的比容量可以达到1300mAh/g,以该材料作为负极,钴酸锂作为正极制成的锂离子电池在弯折的情况下也能够正常工作,耐久性试验中,该电池弯折数百次后仍然能够正常工作,但是目前碳纺织品材料的主要问题是面密度太高,影响电池的能量密度提升。如果使用超薄钛箔作为集流体,涂布一层具有3D结构的活性物质,可以显著的提升电池的倍率性能,同时保证良好的柔性。最近新兴的石墨烯泡沫材料,由于质量轻,导电性好,拥有极好的可折叠性,吸引了广泛的关注,例如研究显示,以Li4Ti5O12与石墨烯泡沫形成复合材料,在200C的超高倍率下,仍然能够获得86mAh/g的比容量,并且保持了良好的可折叠性,在弯曲半径达到5mm时,容量仅轻微的降低了1%。

全固态电解质

传统的液体电解质,由于热稳定、机械稳定差等问题,使得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塑料晶体电解质恰好解决了传统的液体电解质稳定性差的问题,塑料晶体电解质主要由锂盐和塑料晶体组成,具有良好的热稳定性和较好的离子电导率,但是传统的塑料晶体电解液在室温下更多呈现出液体的行为,因此导致其存在机械性能差等问题,需要通过相应的改造手段进行改造,通过在在塑料晶体电解质中添加PET纤维,可以显著的改善塑料晶体电解质的机械性能,以LiCoO2为正极,Li4Ti5O12为负极,以经过强化处理的塑料晶体电解质为电解质和隔膜,该电池表现出了良好的可弯曲性,即使在缠绕几圈的前提下,依然能够正常工作。但上述电解质的厚度一般为25um左右,还无法满足轻薄化锂离子电池的设计需求,于是人们对锂磷氧LPON材料进行研究,该固体电解质的厚度可以做到2um,仍然能够保持良好的电化学性能。

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