可工業(yè)化制造高效纖維鋰電池實(shí)現(xiàn)超10萬(wàn)次彎曲折疊
原創(chuàng)
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先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究中心
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先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究團(tuán)隊(duì)是中科院從事能源戰(zhàn)略情報(bào)咨詢(xún)服務(wù)的專(zhuān)業(yè)智庫(kù)，致力于能源知識(shí)挖掘與分析，密切跟蹤能源戰(zhàn)略、科技發(fā)展、產(chǎn)業(yè)布局等最新進(jìn)展，為決策層戰(zhàn)略決策和科技創(chuàng)新活動(dòng)提供高端咨詢(xún)服務(wù)。歡迎聯(lián)系：energy@whlib.ac.cn
可穿戴電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展對(duì)柔性電池提出了新的需求，柔性纖維電池便是良好的候選技術(shù)之一。然而，迄今為止獲得的纖維電池長(zhǎng)度只有幾厘米，導(dǎo)致整個(gè)電池能量密度太低（<1 Wh/kg）；且如此短的纖維鋰離子電池也無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)檫B接它們的附件會(huì)損害纖維的能量密度和穩(wěn)定性。因此，探索制備高能量密度長(zhǎng)纖維鋰離子電池是本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)前沿。
上海復(fù)旦大學(xué)Huisheng Peng教授課題組牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了可以利用成熟商業(yè)化制造工藝制備的鈷酸鋰/石墨纖維鋰離子電池，長(zhǎng)度達(dá)到了米級(jí)，獲得了85.69 Wh/kg的能量密度，500余次循環(huán)后仍可保持90%以上的初始容量，且經(jīng)過(guò)10萬(wàn)次彎曲后依舊可以保持超過(guò)80%的初始容量，展現(xiàn)出了良好的長(zhǎng)程穩(wěn)定性、機(jī)械柔韌性和商業(yè)應(yīng)用潛力
。研究人員將鋰鈷氧化合物（LCO）涂覆在商用鋁纖維上作為正極，將石墨涂覆在銅纖維上作為負(fù)極，隨后與商業(yè)隔膜組裝成完整的柔性纖維鋰電池。為了對(duì)比研究，研究人員同時(shí)制造了不同長(zhǎng)度（0.1 m、0.2 m、0.5 m和1 m）的纖維鋰離子電池，并測(cè)量了其電化學(xué)性能。電化學(xué)阻抗譜測(cè)試結(jié)果顯示，電池的內(nèi)阻和纖維長(zhǎng)度具有雙曲余切函數(shù)關(guān)系，隨著長(zhǎng)度的增加，內(nèi)阻首先下降，然后趨于平穩(wěn)。電池比容量密度測(cè)試顯示，電池在長(zhǎng)度為1 m的時(shí)候達(dá)到最佳，獲得了85.69 Wh/kg放電比容量，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室工藝制備的纖維鋰電池能量密度高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。由于單個(gè)纖維的能量密度還不足以為大型電子設(shè)備供電，研究人員利用工業(yè)化生產(chǎn)工藝制備了以上述纖維鋰電池為單元的大面積織物（100根纖維電池構(gòu)成），使得纖維鋰離子電池紡織品具有足夠的能量來(lái)為大型電子設(shè)備供電。在0.1C倍率下獲得了超過(guò)160 mAh/g的比能量，且500余次循環(huán)后電池仍可保持90.5%初始比容量，庫(kù)倫效率接近100%（99.8%），表現(xiàn)了良好的長(zhǎng)程穩(wěn)定性。作為纖維電池，一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)是抗彎曲拉伸能力，研究人員以1 cm的曲率半徑對(duì)纖維織物電池進(jìn)行了高達(dá)10萬(wàn)次的彎曲，結(jié)果顯示電池經(jīng)過(guò)上述彎曲實(shí)驗(yàn)后仍然保持了80%以上的初始比容量，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的機(jī)械柔韌性，具備作為柔性可穿戴電子設(shè)備電源的良好潛能。進(jìn)一步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析可知，該纖維電池每米成本不到0.05 美元，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。
該項(xiàng)研究
設(shè)計(jì)了一種纖維鋰電池，并利用工業(yè)化生產(chǎn)工藝制備了纖維鋰電池紡織品，在0.1C倍率下獲得了超過(guò)160mAh/g的比能量，500余次充放電循環(huán)后電池仍可保持90.5%初始比容量，更為關(guān)鍵的是，經(jīng)過(guò)高達(dá)10萬(wàn)次彎曲后仍然保持了80%以上的初始比容量，且單位長(zhǎng)度的成本不到0.05美元，表現(xiàn)出了優(yōu)異的長(zhǎng)程穩(wěn)定性、機(jī)械柔韌性和良好的商業(yè)應(yīng)用潛力，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高性能長(zhǎng)壽命低成本柔性電池指明了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature》
。
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