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【本刊推荐】柔性电化学储能器件研究进展

储能科学与技术2019-08-24 11:02:33
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导读


本文从柔性电化学储能器件的电极材料(碳纳米管、石墨烯、碳纸/碳纤维、织物等)、电解质(液态、固态、有机-无机复合电解质)、制造工艺(打印/涂覆/喷涂、沉积、纺织)及具有不同附加功能特性的新型柔性电池等方面对柔性电化学储能器件关键组元和技术的发展情况进行了综述。

 刘冠伟 等,

(清华大学能源互联网创新研究院等)

引言

随着现代社会电子设备需求的多样化,移动式能源、可穿戴设备已经成为了衔接应用升级和技术革新的关键点。在这一背景下,柔性电子设备的发展引人关注。柔性电子设备是指在存在一定范围的形变(弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸)条件下仍可工作的电子设备,如可弯曲显示器与触屏、射频识别标签、可穿戴传感器、可植入医疗器械等,这些设备多数情况下需要配备具有柔性电池或广义柔性储能装置供能。“柔性”(flexible)指在外力作用下产生形变但并不影 响基本结构与功能特性的性质,与刚性相对。目前电池工业中生产的绝大多数电池都是刚性的(比如铅酸电池、软包/钢壳/18650锂离子电池),并不具备在弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸条件下工作的能力。


众所周知,电池制约了许多电子产品的性能表现,智能手机中的电池已经占到了体积和质量的近1/3,用户仍然时常诟病续航时间不足。因此在开发柔性智能穿戴设备时,相应柔性电池技术也必须跟上脚步。传统的二次电池/电容器等储能设备无法直接用于柔性领域,主要原因有:① 传统电池中使用的材料大多不具备柔性;②各种组成材料之间的接触程度比较差;③在使用过程中,变形会导致极严重的微结构不可逆变化、器件性能衰退乃至器件失效;④活性物质的装载量低;⑤液体电解质有泄露的危险;⑥封装材料和工作环境有刚性限制。即使是当前获得广泛应用,可以在一定的工艺配合下制造出具有有限弯曲度电池的软包电池,一方面其使用的封装铝塑膜并不具有较大延展性,反复弯曲会造成封装撕裂从而发生电池漏液、失效;另一方面内部以电极为代表的许多材料都不具有柔性,在反复弯曲后活性物质可能会脱落导致电池失效。因此目前软包电池也并不具有反复弯曲后保持性能稳定的能力,也不能适应对柔性有要求的场合。为了克服上述问题,柔性电池的制造技术必须在柔性电极、新型电解质、新型制造技术和封装技术方面持续创新。


本文对柔性锂离子电池、锂硫电池及超级电容器等柔性电化学能量存储器件的发展情况进行了综述。

目录

一、柔性电极材料

 1.1  碳纳米管

 1.2  石墨烯

 1.3  碳纸/碳纤维布

 1.4  导电纸(纤维素)及纺织物

1.5  聚合物基电极

1.6  其它低维材料

二、柔性电池用电解质

2.1   液态电解质

2.2  固态电解质

三、典型的柔性电池制备工艺

3.1  打印、涂覆与喷涂

3.2  化学/物理沉积

3.3  纺织

四、具有不同结构、功能的典型柔性电池

4.1  叠层型电池

4.2  电线/电缆/纤维型电池

4.3  透明柔性电池

4.4  可拉伸电池

4.5  高性能柔性杂化电池/电容

4.6  与其它器件一体化集成的多功能柔性电池

五、性能总结

六、结论与展望

文章来源

刘冠伟1,2,张亦弛1,2,慈 松1,2,余占清1,2,曾 嵘1,2. 柔性电化学储能器件研究进展[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(1): 52-68.     

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