電池研究 | 面向適形和結(jié)構(gòu)化電源的可定制固態(tài)電池
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康橋電池能源CamCellLab
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“康橋電池能源CamCellLab”專注于新型電池技術(shù)、算法模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及可視化、電池管理技術(shù)方案研究與專家咨詢服務(wù)。
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導(dǎo)讀：
在過(guò)去的幾十年里，可充電鋰離子電池一直主導(dǎo)著從便攜式電子設(shè)備到電動(dòng)汽車的能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備的主要市場(chǎng)。然而，成本和安全問(wèn)題一直阻礙著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用。因此，越來(lái)越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向了具有高安全、低成本、可持續(xù)和環(huán)境友好的可充電水系鋅離子電池。
與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)正極材料相比，有機(jī)化合物擔(dān)任正極材料具有低毒、結(jié)構(gòu)可調(diào)、合成可控和來(lái)源豐富等顯著優(yōu)點(diǎn)，引起研究人員的極大興趣。小分子放電產(chǎn)物容易水解，導(dǎo)致電池循環(huán)性能差，而聚合物因其有較大的Π共軛結(jié)構(gòu)和較大的分子量，在充放電過(guò)程中能穩(wěn)定存在，是理想的有機(jī)正極材料。然而，聚合物正極放電容量低，倍率性能差等問(wèn)題限制了其在水系“鋅”電池中的進(jìn)一步應(yīng)用
1. 可定制固態(tài)電池的設(shè)計(jì)及其電化學(xué)性能
隨著固態(tài)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的復(fù)興和進(jìn)步，近年來(lái)，研究人員賦予固態(tài)電池各種形狀因子和機(jī)械靈活性，以克服電子設(shè)備中與電源相關(guān)的設(shè)計(jì)和性能限制。圖2總結(jié)了文獻(xiàn)報(bào)道的典型的可定制固態(tài)電池類型、適形性及其電化學(xué)性能。
圖2. 代表性可定制固態(tài)電池：
電池形狀、適形性與電化學(xué)性能
2. 可定制固態(tài)電池的制備技術(shù)
“可打印固態(tài)電池”作為一種新的電池系統(tǒng)出現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)多樣性、靈活性、可集成性和高安全性。這種技術(shù)允許在各種基板（包括柔性和非平面基板）上制備受控厚度的兼容層/界面，從而實(shí)現(xiàn)可針對(duì)特定應(yīng)用定制的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
目前，“可打印固態(tài)電池”設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題主要包括：（i）具有易加工性、可重復(fù)、通用性和低成本的合適打印技術(shù)（如2D和3D打?。唬╥i）用于打印電極、固體（或準(zhǔn)固體）電解質(zhì)、隔膜和集流體的電池組件的功能“油墨”；（iii）電池形狀因子和結(jié)構(gòu)，例如，適形電子產(chǎn)品和最大化空間利用的特殊形狀電池。文章分別針對(duì)可打印“油墨”的設(shè)計(jì)原則、2D打印技術(shù)和相應(yīng)的材料選擇、3D打印技術(shù)和相應(yīng)的材料選擇進(jìn)行了分析和討論。
2.2 結(jié)構(gòu)化固態(tài)電池
提高電池的安全性和能量密度對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義。然而，高能量密度的電池容易發(fā)生熱失控和機(jī)械損壞，一種潛在的強(qiáng)大解決方案是將固態(tài)電池用作結(jié)構(gòu)電池，以提供儲(chǔ)能和承重能力。這樣，由于結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量減少，預(yù)計(jì)車輛總重量將減少，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。結(jié)構(gòu)電池的成功構(gòu)建取決于電池復(fù)合材料的發(fā)展，即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（如圖3）。
近年來(lái)，“結(jié)構(gòu)電池”概念已受到領(lǐng)先的電動(dòng)汽車公司的關(guān)注。結(jié)構(gòu)電池的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)先進(jìn)的聚合物電解質(zhì)，缺乏高離子導(dǎo)電性和剛性的聚合物電解質(zhì)將阻礙結(jié)構(gòu)電池的實(shí)現(xiàn)。然而，高離子電導(dǎo)率和良好的剛性通常相互矛盾。聚合物固體電解質(zhì)有望在這兩種性能之間實(shí)現(xiàn)平衡，這可以最大限度地減少電解質(zhì)泄漏問(wèn)題，并提供更好的保型性。
用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)電池的聚合物固體電解質(zhì)需要提供0.1到1 GPa之間的壓縮/剪切剛度，并確保離子電導(dǎo)率為～1 mS/cm。到目前為止，已報(bào)道的用于結(jié)構(gòu)電池的聚合物固體電解質(zhì)基體主要包括：PVDF、聚乙二醇（PEG）、環(huán)氧樹脂、聚乙二醇二縮水甘油醚（PEDGE）和雙酚A二甲基丙烯酸酯等。
圖3.（a）疊層結(jié)構(gòu)固態(tài)鋰離子電池和（b）3D纖維結(jié)構(gòu)電池的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）結(jié)構(gòu)電池作為電動(dòng)汽車車體結(jié)構(gòu)示意圖；（d） 2016年英國(guó)皇家航空學(xué)會(huì)（Royal Aeronautical Society）推出的獲獎(jiǎng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目Hybris，設(shè)計(jì)了一種帶有結(jié)構(gòu)電池的輕型飛機(jī)。
結(jié)構(gòu)電池不僅有可能取代綠色交通系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)組件，而且有可能取代機(jī)器人中的結(jié)構(gòu)組件。這種結(jié)構(gòu)電池需要高度的身體適應(yīng)性，稱為生物形態(tài)結(jié)構(gòu)電池。鋅-空氣電池由于其較高的理論能量密度（1353 Wh/kg）、增強(qiáng)的安全性和環(huán)境友好性，在生物形態(tài)結(jié)構(gòu)電池領(lǐng)域具有格外的吸引力。
Kotov等人利用芳綸納米纖維（ANF）作為機(jī)械承重骨架，設(shè)計(jì)了一種用于結(jié)構(gòu)鋅-空氣電池的固體復(fù)合電解質(zhì)。用軟離子（OH?）傳輸成分浸漬ANFs ，即季銨官能化聚乙烯醇（QUPA），以實(shí)現(xiàn)高機(jī)械穩(wěn)定性（楊氏模量～120 MPa、抗拉強(qiáng)度為20 MPa、抗拉韌性為～3500 J/m3） 和良好的室溫離子電導(dǎo)率（61.3 mS/cm）（圖4）。
圖4.（a）基于不同ANF分散濃度的QUPA/ANF電解質(zhì)膜的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。（b）比較了PVA、QUPA、QUPA/ANF和商用A201膜在室溫下的離子電導(dǎo)率。（c） 基于不同膜的鋅-空氣電池在5 mA/cm
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電流密度下的恒電流放電曲線.（d和e）由生物形態(tài)鋅-空氣電池構(gòu)成的機(jī)器人照片。（f）鋅空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖。集成到微型生物形態(tài)機(jī)器人中的鋅-空氣結(jié)構(gòu)電池：（g）毛蟲、（h）蝎子、（i）蜘蛛、（j）螞蟻。
目前，
對(duì)可定制固態(tài)電池的研究還處于起步階段。由于材料選擇有限，大多數(shù)器件的電化學(xué)性能不如當(dāng)前同類器件。為了提高可打印固態(tài)電池的能量密度，需要研究用于電極的改進(jìn)功能油墨，其中包括高能量密度活性材料（例如合金和轉(zhuǎn)換型材料）和具有適當(dāng)離子/電子電導(dǎo)率的納/微米材料。
同時(shí)，
應(yīng)減少電極油墨中非活性成分（如聚合物粘合劑和導(dǎo)電添加劑）的質(zhì)量比例。未來(lái)具有高度可定制性的電化學(xué)儲(chǔ)能器件不僅體現(xiàn)在可定制的形狀和靈活性上，還體現(xiàn)在可定制的功能上。
已報(bào)道的定制功能包括
自供電、自愈、形狀記憶、承重、電致變色、光電檢測(cè)和傳感功能，這些功能將在人工智能和仿生技術(shù)應(yīng)用中得到廣泛探索。材料、組件結(jié)構(gòu)、器件制造和系統(tǒng)集成的進(jìn)步將允許制造商/用戶根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)/選擇器件性能，如容量、靈活性、形狀和功能，這些被認(rèn)為是下一代智能電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。
總的來(lái)說(shuō)，
固態(tài)電池在形狀和靈活性方面的創(chuàng)新標(biāo)志著可定制固態(tài)電池技術(shù)的誕生，我們現(xiàn)在正站在一個(gè)新的歷史階段，以創(chuàng)建下一代用戶友好的可定制多功能固態(tài)電池。通過(guò)材料工程、結(jié)構(gòu)演變、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和多功能系統(tǒng)的集成，可定制固態(tài)電池將為未來(lái)的智能電子和綠色交通系統(tǒng)鋪平道路。
Lu Wei, Song-Tao Liu, Moran Balaish, Zhuo Li, Xiao-Yan Zhou, Jennifer L.M. Rupp and Xin Guo. Customizable solid-state batteries toward shape-conformal and structural power supplies. Materials Today, 2022.
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