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柔性锂电池最新进展,还不快来了解一下?

来源:清新电源 | 作者:admin | 分类:曝光 | 时间:2018-09-04 | 浏览:4225
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锂电网讯:随着现代科技的持续进步,可穿戴式电子设备越来越多地出现在人们的日常生活中,为人们带来更多的便利,如智能手表、智能运动鞋、智能衣服以及电子皮肤和可折叠可弯曲的智能手机等[1]。柔性电子设备的飞速发展对可充式二次电池提出了越来越高的要求。柔性锂氧电池凭借着超高的理论能量密度,成为目前电池领域的研究热点,开发出高效、稳定、高机械强度及柔性的电池正极和负极是目前研究的关键[2-3]。接下来我们将对近几年柔性锂氧电池的发展现状进行总结,对柔性正极及柔性锂负极的结构设计、柔性锂氧电池的组装等以及该领域的未来发展趋势进行讨论。


1 柔性正极材料的开发与应用

   正极材料包括基底材料与催化剂,商业碳材料[4-6]如碳布、碳纸、碳纤维等,都具有良好的柔性和导电性,作为基底材料在柔性锂氧电池中得到了广泛的应用。然而碳材料比表面积较小不能为放电产物提供足够大的存储空间,因而放电容量受到限制;催化剂主要通过增加放电容量、减小过电位、促进放电产物的氧化分解来提升柔性锂氧电池的电化学性能[7-8]。因此,开发出高效、稳定的催化剂是实现更好电池性能的关键。

☆ 碳催化剂用于柔性锂氧电池正极

Cetinkaya 等[9]通过真空抽滤的方法制备出氧化石墨烯(GO)纸(如图1所示),相比其他薄膜类材料,氧化石墨烯纸具有良好的机械强度和韧性,也具有优异的导电性,用作柔性锂氧电池正极材料实现了很好的柔性及电化学性能。在稳定循环的情况下,使用氧化石墨烯纸作正极,锂氧电池的比容量为700 mAh/g,并且具有较好的能量效率,在循环至10圈时其能量效率接近100%。

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图 1 氧化石墨烯电极及充放电曲线

☆ 金属氧化物催化剂用于柔性锂氧电池正极

Liu等[10]使用晶种沉积辅助水热生长的方法, 在碳布表面生长氧化钛纳米阵列,制备出具有高机械强度、催化活性良好的氧化钛纳米阵列碳布电极(TiO2/CT)。相比纯碳布作锂氧电池正极,TiO2/CT锂氧电池的电化学性能得到了显著的提高(图2)。由首次充放电曲线可知, TiO2/CT锂氧电池的放电电压比纯碳布锂氧电池高160 mV,充电电压比纯碳布锂氧电池低495 mV;可稳定循环300次以上,极大地提高了电池的使用寿命。此外对TiO2/CT锂氧电池的柔性测试也得到了良好的结果(图3),在不同弯曲角度的情况下,TiO2/CT锂氧电池能够稳定循环100次以上, 充放电电压稳定,这对于未来柔性锂氧电池的实际应用具有非常重要的意义。

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图2  氧化钛纳米阵列/碳布电极(TiO2/CT)

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图3 锂氧电池的弯曲和扭转特性


2 一体化自组装柔性锂氧电池的开发和应用

目前柔性锂氧电池的负极多用锂片,但是,锂片机械强度差,在反复弯曲折叠过程中必定对锂片造成严重的损坏,对电池的容量、循环稳定性和使用寿命造成很大的影响[11-13]。柔性金属锂负极以及柔性外壳的研发也是开发出性能更优异的柔性锂氧电池的关键。

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图4 一体化自支撑柔性锂氧电池的制备示意图

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图5  RTC 正极和 SLC 负极的制备示意图

为了解决以上问题, Yang 等[14]通过硅橡胶设计出一种一体化自组装柔性锂氧电池(图4),其所使用的柔性正极材料为氧化钌/氧化钛纳米阵列碳布电极(图5); 柔性负极材料为 SLC负极(stainless steelmesh-Li-Cu 负极),将铜片、锂片和不锈钢网压片制得(图4);以泡沫镍为模板制备出硅橡胶气体扩散层。由此所制备出的柔性锂氧电池不仅具有优异的电化学性能,也具有良好的柔性。


3 总结与展望

本文主要对近年来柔性锂氧电池领域的研究成果进行了总结,分别从柔性电极材料和电池结构进行归纳,提出了柔性锂氧电池发展的思路,即在保证电池性能的条件下,通过设计出具有良好的机械稳定性和优异的柔性电极材料,实现锂氧电池在更广泛领域的应用,推动柔性电子设备的发展。


4 参考文献

[1] International Internet of Things Summit.Berlin, Germany: Springer International Publishing, 2015.

[2] J. Phys. Chem. Lett, 2010(14): 2193-2203.

[3] J Electrochem Soc,2009, 156(1): A44-A47.

[4] Electrochim Acta, 2009,54(28): 7444-7451.

[5] J Power Sources, 2010, 195(7): 2057-2063.

[6] J Power Sources, 2010, 195(5): 1370-1374.

[7] Electrochem Solid State Lett, 2010, 13(6): 69-72.

[8] J Power Sources, 2011, 196(3): 886-893.

[9] J Power Sources, 2014, 267: 140-147.

[10] Nat Commun, 2015, 6: 7892.

[11] Solid State Ionics, 2002, 148(3/4): 405-416.

[12] J Power Sources, 1998, 74(2): 219-227.

[13] Electrochim Acta, 1994, 39(1): 51-71.

[14] Adv Mater, 2017, 29(26): 1700378.

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