柔性高倍率電池薄膜電極制備方法
近年來(lái),隨著便攜式可穿戴電子設(shè)備市場(chǎng)需求的日益增長(zhǎng),迫切需要開(kāi)發(fā)柔性、輕便,且能夠在固態(tài)電解質(zhì)中進(jìn)行高倍率、安全穩(wěn)定運(yùn)行的供電系統(tǒng)。作為最重要的儲(chǔ)能器件之一,鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì),被看作是最有前景的儲(chǔ)能媒介之一。然而,柔性鋰離子電池,尤其是那些使用固態(tài)電解質(zhì)的電池,受限于電極、電解質(zhì)內(nèi)部以及界面處離子和電子較低的遷移速率,通常具有較小的功率密度。發(fā)展具有高能量密度和高功率密度,同時(shí)兼具柔性和安全性能的可充電電池電極仍是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
二維材料作為一類冉冉升起的新星,在平面方向具有無(wú)限的尺寸而在厚度方向僅為原子或分子尺度,是構(gòu)建柔性電極極好的平臺(tái)。首先,二維材料具有極好的延展性、柔性和機(jī)械強(qiáng)度,因而僅通過(guò)隨機(jī)堆垛就能構(gòu)建超薄柔性電極;其次,超薄的厚度帶來(lái)高比例暴露的表面原子,有利于電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程活性位點(diǎn)的大量參與;最后,特殊的二維離子傳輸通道能夠大大提高倍率性能。
基于此,蘇州大學(xué)耿鳳霞教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種分子水平堆垛二維鈦基金屬氧化物和碳化物,制備柔性高倍率電池薄膜電極的方法。得益于快速的離子/電子傳輸通道和穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu),所制備的電極展現(xiàn)出極好的倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。
都柏林圣三一學(xué)院的Jonathan Coleman教授發(fā)展了一個(gè)適用于各種電極和電極厚度的定量描述倍率性能的指標(biāo),電極傳遞系數(shù),它的值一般在10-13 m2 s−1至10-9 m2s−1。該柔性薄膜電極的傳遞系數(shù)為0.87×10−11 m2 s−1,優(yōu)于大部分已報(bào)道的自支撐柔性薄膜電極,進(jìn)一步證明了其優(yōu)異的倍率性能。
此外,將該電極作為負(fù)極、碳布支撐的商用磷酸鐵鋰作為正極,與聚(乙二醇)二胺基凝膠聚合物電解質(zhì)共同組裝成準(zhǔn)固態(tài)柔性鋰離子全電池。值得一提的是,該凝膠電解質(zhì)(0.41 mS/cm)具有特殊的交聯(lián)分子結(jié)構(gòu),其離子電導(dǎo)率接近單一液態(tài)電解質(zhì)。在外力下進(jìn)行不同程度的形變,該柔性準(zhǔn)固態(tài)全電池的最大輸出電壓保持為4.25V;在保持高能量密度(59 Wh/kg)的同時(shí)展現(xiàn)出有競(jìng)爭(zhēng)力的功率密度(1412 W/kg),優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的使用液態(tài)電解質(zhì)的柔性鋰離子電池,甚至可以與一些紐扣電池相媲美;此外,即使在進(jìn)行反復(fù)切割、自修復(fù)過(guò)程后,仍能穩(wěn)定地為器件供電,顯示其應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備的巨大潛力。
圖一:(a) 所制備的復(fù)合膜電極中titania和Ti3C2片層堆垛示意圖;(b) 電流密度40mA/g至2000mA/g范圍內(nèi)復(fù)合膜電極的倍率性能;(c) 兩個(gè)串聯(lián)的軟包電池在不同形變時(shí)給智能手機(jī)穩(wěn)定充電;(d) 電池切割前后和自修復(fù)后為電子手表供電。
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