柔性鋰離子電池儲能設備綜合解析

隨著電子技術的快速發(fā)展，越來越多的電子設備正在向著輕薄化和柔性化的方向進行發(fā)展，例如三星和LG都推出了自家的柔性可折疊的屏幕，并且正在計劃推出可折疊的手機等產(chǎn)品，目前顯示組件和電路都可實現(xiàn)柔性和可折疊，目前最大的挑戰(zhàn)就是可以折疊的儲能電源產(chǎn)品，傳統(tǒng)的鋰離子電池、超級電容器等產(chǎn)品，不但體積笨重，而且還無法折疊，在體積變化過大時，甚至會導致正負極之間發(fā)生短路，引發(fā)熱失控，導致嚴重的安全問題。因此為了適應下一代柔性電子設備的發(fā)展，鋰離子電池的發(fā)展方向也應向著柔性、可折疊的方向進行發(fā)展。

對于鋰離子電池和超級電容器等化學電源來說，實現(xiàn)柔性最大的阻礙是集流體的柔性化設計，不但要保證柔性電極具有良好的機械性能，還要具有良好的電化學性能。從今天開始，我們將分兩篇為大家介紹柔性儲能電源設計的最新發(fā)展情況，包含柔性鋰離子電池和柔性超級電容器兩個部分。

為了實現(xiàn)鋰離子電池的柔性化設計，人們對多種路線進行了嘗試，例如聚合物電池、纖維素基電池和紙基電池，研究顯示對鋰離子電池折疊性能影響最大的是電極和集流體的設計，下面我們就按照技術方向?qū)δ壳叭嵝凿囯x子電池設計發(fā)展狀況進行介紹。

柔性紙電池

說起紙張大家都不陌生，造紙術是我國四大發(fā)明之一，雖然不清楚為什么我們什么都喜歡湊四個，像什么四大名著、四大才子、四大家族了，但是造紙術的發(fā)明確實對人類文明發(fā)展的進程產(chǎn)生了重大的影響。紙張表面粗糙，孔隙率高，十分適合離子的擴散，而且紙張具有柔性可折疊的特點，因此十分適合用于生產(chǎn)柔性鋰離子電池。在鋰離子電池中，紙張既可以用作集流體，也可以用作隔膜，當然這需要對傳統(tǒng)的紙張進行改性處理，例如在紙張的表面涂布一層多壁碳納米管SWCNTs以增強紙張的導電性，以碳納米管CNT與纖維素復合制成具有良好導電性的柔性電極，當然紙也可以作為隔膜，在最近的一項報道中，以多壁碳納米管薄膜為集流體，并分別涂布正、負極活性物質(zhì)，以紙張作為隔膜和支撐結構，電池不僅具有良好的可折疊特性，還具有優(yōu)異的電化學性能，特別是該電池的自放電性能，存儲350h，電壓僅下降5.4mV。

3D電極柔性鋰離子電池

鋰離子電池的容量和倍率性能與電極的活性面積有著密切的關系，通過對鋰離子電池的電極結構進行改進，增加電極的活性面積，提高Li+的擴散動力學條件是提升鋰離子電池性能的重要途徑。最近的研究發(fā)現(xiàn)，具有3D結構的碳紡織品具有良好的導電性能還具有極佳的機械性能，因此十分適合用來取代傳統(tǒng)的金屬集流體。通過在碳纖維的表面生長一層ZnCo2O4納米線材料，負極的比容量可以達到1300mAh/g，以該材料作為負極，鈷酸鋰作為正極制成的鋰離子電池在彎折的情況下也能夠正常工作，耐久性試驗中，該電池彎折數(shù)百次后仍然能夠正常工作，但是目前碳紡織品材料的主要問題是面密度太高，影響電池的能量密度提升。如果使用超薄鈦箔作為集流體，涂布一層具有3D結構的活性物質(zhì)，可以顯著的提升電池的倍率性能，同時保證良好的柔性。最近新興的石墨烯泡沫材料，由于質(zhì)量輕，導電性好，擁有極好的可折疊性，吸引了廣泛的關注，例如研究顯示，以Li4Ti5O12與石墨烯泡沫形成復合材料，在200C的超高倍率下，仍然能夠獲得86mAh/g的比容量，并且保持了良好的可折疊性，在彎曲半徑達到5mm時，容量僅輕微的降低了1%。

全固態(tài)電解質(zhì)

傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)，由于熱穩(wěn)定、機械穩(wěn)定差等問題，使得柔性電池的可彎曲性受到了很大的限制，而近年來發(fā)展起來的塑料晶體電解質(zhì)恰好解決了傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)穩(wěn)定性差的問題，塑料晶體電解質(zhì)主要由鋰鹽和塑料晶體組成，具有良好的熱穩(wěn)定性和較好的離子電導率，但是傳統(tǒng)的塑料晶體電解液在室溫下更多呈現(xiàn)出液體的行為，因此導致其存在機械性能差等問題，需要通過相應的改造手段進行改造，通過在在塑料晶體電解質(zhì)中添加PET纖維，可以顯著的改善塑料晶體電解質(zhì)的機械性能，以LiCoO2為正極，Li4Ti5O12為負極，以經(jīng)過強化處理的塑料晶體電解質(zhì)為電解質(zhì)和隔膜，該電池表現(xiàn)出了良好的可彎曲性，即使在纏繞幾圈的前提下，依然能夠正常工作。但上述電解質(zhì)的厚度一般為25um左右，還無法滿足輕薄化鋰離子電池的設計需求，于是人們對鋰磷氧LPON材料進行研究，該固體電解質(zhì)的厚度可以做到2um，仍然能夠保持良好的電化學性能。

柔性離子電池結構設計

對于柔性電子元器件的設計，對其設計限制最大的就是電池的形狀，相比于傳統(tǒng)的片狀電池，線型鋰離子電池在這方面具有天然的優(yōu)勢，例如最近LG化學公司就推出了一款，線型鋰離子電池，該電池具有中空螺旋型的負極結構，改性無紡布隔膜，和外部的正極結構，該電池電壓平臺3.5V，容量線密度為1.0mAh/cm，該電池具有良好的可彎曲性，更為重要的是該電池不必像傳統(tǒng)的鋰離子電池那樣安置在電子設備的內(nèi)部，可以放置在任何地方，因此可以極大的方便可穿戴設備的使用。

隨著可延展電子設備的發(fā)展，柔性電子設備不僅要承受彎曲變形，還要能夠彎曲，拉伸和壓縮等受力形式，因此為可延展電子設備提供儲能電池是一個巨大的挑戰(zhàn)，目前一條可行的技術方案是進行單元化設計，也就是將傳統(tǒng)的整個鋰離子電池分割成一個一個獨立的小單元，一般是以彈性硅膠薄膜作基體，不同的小單元之間相互連接。通過測試，該方法制備的電池可以延展到300%以上，仍然能夠保持良好的電化學性能。

目前柔性鋰離子電池的設計還僅僅是起步階段，還有許多問題需要解決，例如，如何在保證電池具有良好的機械性能的前提下提升鋰離子電池的比能量和安全性能，這需要在電解設計和電解液設計，以及電池結構設計上共同著手才能完成。