电子设备的微型化和可穿戴化是未来电子设备的发展趋势,包括三星、LG在内的显示屏厂家纷纷推出了自家的柔性可折叠屏幕,但是目前像纸张一样的可折叠手机、带显示器的衣服,距离实际应用还有一道难以跨越的障碍——电池的柔性化,锂离子电池作为电子设备的重要的组成部分,承担着为设备提供能源的重任,但是目前使用的主流锂离子电池,由于结构的因素无法实现柔性可折叠,而一些可折叠的储能设备,例如柔性太阳能薄膜,超级电容、锂离子电池等由于储能密度太低而无法应用,这就制约了可穿戴柔性电子设备的应用。
实际上早在2000多年前的秦朝人早就为我们提供了一种解决方案——竹简,竹简作为中国传统文化的一种典型代表,竹简仍然为推动现代技术的发展贡献着自己的力量。竹简用坚硬的竹子制成,但是却能够弯曲,这主要与其结构设计有关,同样这样的设计也能够应用在柔性储能设备的研发上。例如长春应化所的Qingchao Liu等就借助这一结构开发了一款柔性可穿戴Li-O2电池。
Li-O2电池是一种高能量可充电电池,其理论比能量达到3600Wh/kg,是锂离子电池能量密度的5到10倍以上。但是由于Li-O2电池的特点使其需要一个O2扩散层(例如泡沫镍、铁网等),目前设计的软包电池叠层结构极大的降低了Li-O2电池的能量密度,同时也导致其无法折叠、弯曲,极大的限制了其在柔性可穿戴设备上的应用。
Qingchao Liu等在竹简的启发下,开发了一种类似竹简结构的Li-O2电池,这种电池具有极高的可折叠性,其空气正极采用涂有纳米碳颗粒SP的碳纤维编制而成,使得电池可向任意的方向折叠,其编织结构可以使得O2从电池的两侧向电池快速扩散,确保了在O2在空气电极快速、充分发生还原反应和析氧反应,锂负极采用聚丙烯薄膜和疏水性聚合物凝胶保护,这两种材料具有很高孔隙率,确保在正负极之间有足够的锂离子扩散速率,同时可以保护负极在紧急情况下不受水汽,甚至是水的伤害。因此这种电池甚至可以在水下使用。由于这种结构不需要空气扩散层和外部包装,使得电池的能量密度极大的提升。
电化学实验发现在100mA/g的电流密度下这种电池的放电比容量达到8200mAh/g,即便把电流密度提高8倍达到800mAh/g,放电比容量仍然可以达到1000mAh/g,目前实验阶段的电池能量密度达到了523.1Wh/kg。通过对正极表面形貌的研究发现在放电后,在正极碳纤维的表面形成了一层大约50nm厚的放电产物,通过后续的XRD衍射分析发现,这层产物为Li2O2。
这种电池的放电容量和电压几乎不受折叠状态的影响,电池表现出了极佳的可折叠性,甚至将电池的一部分放入到水中时电池仍然能够正常工作,这就保证了电池在实际使用时面对下雨等恶劣环境具有很好的耐受性。目前这种电池的制备成本还过高,难以实现商业化,但是随着技术的不断进步,相信其制备成本也会迅速下降,由于其柔性可折叠的特点,使得其具有良好的应用前景。
中华民族具有五千余年的文明史,为我们留下了璀璨的文化遗产,只要我们善于发掘,就能从古人的智慧之中汲取养分,用于解决今天我们所面对的困难!
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