鋰電網(wǎng)訊：隨著現(xiàn)代科技的持續(xù)進(jìn)步，可穿戴式電子設(shè)備越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的日常生活中，為人們帶來(lái)更多的便利，如智能手表、智能運(yùn)動(dòng)鞋、智能衣服以及電子皮膚和可折疊可彎曲的智能手機(jī)等[1]。柔性電子設(shè)備的飛速發(fā)展對(duì)可充式二次電池提出了越來(lái)越高的要求。柔性鋰氧電池憑借著超高的理論能量密度，成為目前電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，開發(fā)出高效、穩(wěn)定、高機(jī)械強(qiáng)度及柔性的電池正極和負(fù)極是目前研究的關(guān)鍵[2-3]。接下來(lái)我們將對(duì)近幾年柔性鋰氧電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，對(duì)柔性正極及柔性鋰負(fù)極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、柔性鋰氧電池的組裝等以及該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。
1 柔性正極材料的開發(fā)與應(yīng)用
正極材料包括基底材料與催化劑，商業(yè)碳材料[4-6]如碳布、碳紙、碳纖維等，都具有良好的柔性和導(dǎo)電性，作為基底材料在柔性鋰氧電池中得到了廣泛的應(yīng)用。然而碳材料比表面積較小不能為放電產(chǎn)物提供足夠大的存儲(chǔ)空間，因而放電容量受到限制；催化劑主要通過(guò)增加放電容量、減小過(guò)電位、促進(jìn)放電產(chǎn)物的氧化分解來(lái)提升柔性鋰氧電池的電化學(xué)性能[7-8]。因此，開發(fā)出高效、穩(wěn)定的催化劑是實(shí)現(xiàn)更好電池性能的關(guān)鍵。
☆ 碳催化劑用于柔性鋰氧電池正極
Cetinkaya 等[9]通過(guò)真空抽濾的方法制備出氧化石墨烯（GO）紙（如圖1所示），相比其他薄膜類材料，氧化石墨烯紙具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，也具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，用作柔性鋰氧電池正極材料實(shí)現(xiàn)了很好的柔性及電化學(xué)性能。在穩(wěn)定循環(huán)的情況下，使用氧化石墨烯紙作正極，鋰氧電池的比容量為700 mAh/g，并且具有較好的能量效率，在循環(huán)至10圈時(shí)其能量效率接近100%。
圖 1 氧化石墨烯電極及充放電曲線
☆ 金屬氧化物催化劑用于柔性鋰氧電池正極
Liu等[10]使用晶種沉積輔助水熱生長(zhǎng)的方法， 在碳布表面生長(zhǎng)氧化鈦納米陣列，制備出具有高機(jī)械強(qiáng)度、催化活性良好的氧化鈦納米陣列碳布電極（TiO2/CT）。相比純碳布作鋰氧電池正極，TiO2/CT鋰氧電池的電化學(xué)性能得到了顯著的提高（圖2）。由首次充放電曲線可知， TiO2/CT鋰氧電池的放電電壓比純碳布鋰氧電池高160 mV，充電電壓比純碳布鋰氧電池低495 mV；可穩(wěn)定循環(huán)300次以上，極大地提高了電池的使用壽命。此外對(duì)TiO2/CT鋰氧電池的柔性測(cè)試也得到了良好的結(jié)果（圖3），在不同彎曲角度的情況下，TiO2/CT鋰氧電池能夠穩(wěn)定循環(huán)100次以上， 充放電電壓穩(wěn)定，這對(duì)于未來(lái)柔性鋰氧電池的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義。
圖2 氧化鈦納米陣列/碳布電極(TiO2/CT)
圖3 鋰氧電池的彎曲和扭轉(zhuǎn)特性
2 一體化自組裝柔性鋰氧電池的開發(fā)和應(yīng)用
目前柔性鋰氧電池的負(fù)極多用鋰片，但是，鋰片機(jī)械強(qiáng)度差，在反復(fù)彎曲折疊過(guò)程中必定對(duì)鋰片造成嚴(yán)重的損壞，對(duì)電池的容量、循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命造成很大的影響[11-13]。柔性金屬鋰負(fù)極以及柔性外殼的研發(fā)也是開發(fā)出性能更優(yōu)異的柔性鋰氧電池的關(guān)鍵。
圖4 一體化自支撐柔性鋰氧電池的制備示意圖
圖5 RTC 正極和 SLC 負(fù)極的制備示意圖
為了解決以上問(wèn)題， Yang 等[14]通過(guò)硅橡膠設(shè)計(jì)出一種一體化自組裝柔性鋰氧電池（圖4），其所使用的柔性正極材料為氧化釕/氧化鈦納米陣列碳布電極（圖5）； 柔性負(fù)極材料為 SLC負(fù)極（stainless steelmesh-Li-Cu 負(fù)極），將銅片、鋰片和不銹鋼網(wǎng)壓片制得（圖4）；以泡沫鎳為模板制備出硅橡膠氣體擴(kuò)散層。由此所制備出的柔性鋰氧電池不僅具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，也具有良好的柔性。
3 總結(jié)與展望
本文主要對(duì)近年來(lái)柔性鋰氧電池領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，分別從柔性電極材料和電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納，提出了柔性鋰氧電池發(fā)展的思路，即在保證電池性能的條件下，通過(guò)設(shè)計(jì)出具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和優(yōu)異的柔性電極材料，實(shí)現(xiàn)鋰氧電池在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)柔性電子設(shè)備的發(fā)展。
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