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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。

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。很多厂商目前都已经开始研发和推出相关的产品,比如弯曲显示器与触屏、射频识别标签、可穿戴传感器、可植入医疗器械、手环、手表甚至是手机等等。不难看出,柔性、可弯曲化将是未来电子设备的发展潮流,是科技领域中未来若干年内的重要增长点。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

目前即使对于普通电子设备来说,电池因为不能满足续航要求,已经成为了大家的一大“槽点”,而且已经成为了其发展的一大瓶颈(电池占手机体积的近三分之一)。而对于柔性电子器件来说,其要求的电池不仅要具有相当的容量,同时还要具有配套的柔性,甚至是具有可拉伸、扭曲以及其它复合用途等更多丰富功能。这就要求我们更要对柔性储能器件进行研究,而如果通俗的说,就是我们需要开发柔性的电化学储能器件,即“可以弯的电池”,甚至是“不只是可以弯还可以做更多事情的电池”。比如像以下几幅图中所示的可弯曲薄膜型电池,以及可打结电缆型电池。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

怎样把电池做成柔性的呢?

实际上,从材料科学的角度来看,传统的铅酸、锂电,以及干电池,都是刚性的,不能经受剧烈的形变。这是由材料为刚性、界面接触、液体电解质泄露、封装材料限制等一系列因素决定的。而如果想要克服这些问题,也必须要在以上几个方面针对性的做工作来解决问题。

1、把电极做成柔性的

传统电池常常要用金属箔(铝铜等)做电极集流体(current collector),然后再把导电剂+活性物质+粘结剂调成浆糊一样的东西涂上去。然后干燥就可以制成电极。然而这样的工艺路线柔性电池是不太适用的,主要是因为:金属箔本身质量太大,降低了能量密度;金属箔偏光滑,与材料结合差,更经不起柔性用途中反复的“折腾”。而为了解决这个问题,电极就必须使用本征具有柔性的活性材料,或者把活性物质与柔性材料进行复合。本征具有柔性的材料主要有碳系材料和高分子。在碳系材料中,碳纳米管和石墨烯是研究比较多的两类,而在柔性器件中,这两种材料本征的良好的力学性能和天然的柔性使它们具有了在普通电池领域中不具有的巨大优势,非常有研发潜力。此外,碳纸也很有用。从复合材料上看,纤维素-纸张/织物是一类非常值得重视的材料。纸张与织物柔性极佳,成本低廉,虽然本征上不导电,但是可以通过与导电的碳材料进行复合变成导电材料,从而取得良好的综合性能。要注意,复合的工作可以非常直观有趣,可以用浸渍的方法,甚至可以用配碳纳米管“墨水”再用毛笔书写来完成,具体可以参考STANFORD大学CUI YI组的工作(下图)

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

除作为基底外,纸张和织物的多孔特性使其也可以用做隔膜,而且阻抗低于商用隔膜。由上可见,纸张材料在柔性电池中应用广泛。因此有人提出了通过打印工艺在一张纸上集成出电容器需要的所有部件的想法。基于纸材料制备的电池/电容器,有着能量功率密度高(轻质)、成本低廉的优势——与时下流行的3D打印结合,也可以做出很多有趣的电池。

2、在电解质方面下功夫

传统液态电解质的两大优点是:良好的接触界面以及有高离子电导。因此现在很多的柔性锂离子电池仍然使用液态电解质,该类电池综合性能良好,除去柔性外,很多特性与现在常用的普通电池相近。但这类电池有两大问题:①受损后电解液有泄露的危险;②液态电解液的温度稳定性很不理想。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

液态锂离子电池(左),固态锂离子电池(右)

这些特性导致了其不是柔性电池满意的解决方案,因此开发各种固态电解质仍然是柔性电化学储能器件研究的关注重点。

固态电解质主要有凝胶高分子电解质(高分子溶剂+无机盐溶质)以及纯无机固态电解质两大类。相比之下凝胶电解质成熟度较高,更容易开发产品;而无机电解质则有许多可探索的内容,技术发展前景很大。目前典型的材料体系有钙钛矿、石榴石、LISICON、氧化物、硫化物等,每一个体系有自己的优点与缺点,在此不详述。

刚柔相济的神奇电池:柔性电化学储能器件

典型的各类锂电解质材料电导率随温度的变化

此外,还可以综合以上有机、无机两大类电解质的优点,将其复合制备成有机-无机复合体系,也是一个重要的研究和工程应用方向。

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