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商业碳绳中国竹简与柔性锂空气电池
来源:www.gshaoshi.com 发布时间:2019/3/29 10:00:47
中国竹简与柔性锂空气电池 

由于具有质量轻、可弯曲且便于携带等优点,柔性电子器件的发展吸引了越来越多人的意,目前柔性器件所使用的储能设备主要是锂离子电池,其能量密度的极限被认为是250 Wh kg-1,这样就极大地限制了其在生产及生活中的应用。锂空气电池由于具有较高的理论能量密度,高达3600 Wh kg-1,它的发展将会很好的解决传统锂离子电池能量密低这一问题。当然,锂空气电池的还处于发展的初期,诸多关键科学问题还没有解决,现阶段对电池能量密度以及容量的研究还仅仅以活性物质的质量作为参考,忽略了占电池绝大部分质量的空气扩散层以及外包装的质量,加上外包装材料以及空气扩散层来计算电池整体的能量密度,其数值是相当低的;此外,电池的组装依然参考锂离子电池“堆叠”的组装方式,这样的组装方式对于锂空气电池来说并不是特别的有利,因为空气只能从接触气体扩散层的一侧进入电池内部,对电池反应的传质不利;最后,由于锂空气电池使用了外包装材料、空气扩散层以及采用“堆叠”的组装方式也不利于柔性锂空气电池的发展。

最近,北京航空航天大学张瑜教授等受中国竹简的启发,采用编织方式组装了锂空气电池(组),如图a所示。正极采用喷涂有商业碳的碳绳,负极使用包覆固态电解质的锂带,采取编织方式将正负极编织在一起。电池内部的压力来自正负极的相互堆叠,不需要外包装部件来提供;在该电池结构中,气体可以从电池两侧直接进入电池的内部进行反应,有利于反应的传质,此过程并不需要空气扩散层;省去了占电池绝大部分质量的外包装材料以及空气扩散层对提高电池整体的能量密度是非常有利的。为了比较该组装方式在能量密度上的优势,对比了锂空气电池常用的扣式电池以及近期报道的有关软包或者柔性锂空气电池它们的能量密度,如图b所示。基础研究所常用的商业碳球,碳纳米管以及碳纳米管负载催化剂的空气正极组装的扣式电池虽然有较高的比容量,但由于电池壳以及泡沫镍扩散层占据了电池的绝大部分质量,测试其整体的能量密度则非常低。后续发展的一维线性电池以及软包电池虽然在电池包装材料以及组装方式上有了很大的突破,但电池的依旧采用了扣式电池 “堆叠”式的组装方式,其组装的实质并没有太大的变化;另外,线性电池和软包电池依旧使用了外包装以及空气扩散层,这就使得它们的能量密度相对扣式电池提升的并不是特别显著。另外,由于组装电池所使用的正负极均具有柔性,这也赋予了电池的柔性特性,测试电池在各种弯曲及扭曲的情况下其电化学性能并没有太大的变化。由于负极表面涂覆的是具有疏水性质的固态电解质,这也赋予了该电池具有一定的安全性,可见电池触水的瞬间安全性是可以保障的。最后,为了验证电池的实用性,将编织好的电池缝到衣物上面发现依然可以正常运行