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纤维超柔性硅氧电池在可穿戴电子领域的应用技术研究

导读: 研究人员开发了一种新的具有高能量密度和超高柔性的硅氧电池纤维,这些硅氧电池纤维被进一步编织成柔软的织物,这对便携式和可穿戴电子产品的蓬勃发展至关重要。这项工作为高性能能源存储设备的开发提供了一种普遍而有效的策略。

【引言】

近几十年来,便携式和可穿戴电子设备吸引了越来越多的关注,而像电池这样灵活的电力系统对于开发高性能的电子设备起着至关重要的作用。虽然在开发各种配套电池方面取得了巨大的成功,但它们面临几个共同的瓶颈。可使用的柔性电池通常被制成三明治结构的薄膜,要求尽可能的薄。这种柔性的实现通常以牺牲电化学性能为代价来实现,例如,降低了活性材料的负载量,这在很大程度上降低了电池的能量密度。另外,两个薄膜电极的滑移可能产生短路。此外,它们可以承受一些轻微的变形,如弯曲,但可能会在包括扭曲和打结在内的较强烈变形中发生破裂。最近,两根纤维电极被扭在一起,形成了一种新颖纤维状的硅氧电池,为解决上述难题提供了新的研究思路。

【成果简介】

近日,复旦大学彭慧胜教授等人在Angew. Chem. Int. Ed.上发文,题为:“An Ultra-flexible Silicon–Oxygen Battery Fiber with High Energy Density”。 研究人员通过采用锂化的硅/碳纳米管混合纤维设计了一种同轴结构来作为内部负极,一种聚合物凝胶作为电解液,裸露的碳纳米管栅作为外部正极,开发了一种高能量密度的纤维状超柔性硅—氧电池。纤维展现了512Wh kg-1的能量密度,以及循环20000次后仍能够高效运作的优异性能。

【图文导读】

图1. 硅氧电池纤维说明

a、b)硅氧电池纤维的结构和工作机制;

c) 硅氧电池纤维的实物照片。

图 2. 形貌分析

a,b) 硅/碳纳米管杂化纤维在低倍和高倍率下的SEM图;

c) 用硅/碳纳米管杂化纤维的横截面图来分析能量分散的x射线光谱图像,硅用紫色表示;

d,e) 硅氧电池纤维在低倍和高倍率下的SEM图;

f)硅氧电池纤维截面SEM图。

图 3. 性能分析

a,b) 硅氧电池纤维的充放电曲线以及相对应的循环特性;

c,d) 负极和正极在不同状态下的XRD图;

e,f) 第一次充放电后碳纳米管正极的SEM图。

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