科技与时尚的结合——柔性可穿戴电池

随着智能便携式电子产品的不断涌现，高功率密度和高能量密度的柔性可穿戴电池得到越来越多的研究和关注。对国内外柔性电池在柔性电极材料、固态电解质、电池结构型式和制备工艺等方面的发展现状进行了总结，对柔性电池现存的问题进行了分析探讨，并对其未来发展方向进行了展望。     

柔性超级电容器电极材料与器件研究进展

超级电容器,也称电化学电容器,它具有比锂离子电池更高的功率密度和更长的循环寿命,与此同时,其能量密度也高于传统的电介质电容器,因此成为了一类具有很大应用前景的能量储存设备。随着人们对智能电子设备性能要求的提高,各类柔性可穿戴电子设备相继出现,柔性超级电容器作为一类便携式能量储存设备也受到了许多研究者的关注。在持续的研究中,二维平面结构的柔性超级电容器得到较大发展并日益成熟,与此同时,随着对柔性电子设备可穿戴性能要求的提高,一维纤维结构的柔性超级电容器应运而生,并且得到了初步发展。本文首先介绍了超级电容器的储能原理和重要性能的评估方法;接着,重点概述了二维平面结构和一维纤维结构两类柔性超级电容器器件结构和电极材料的研究进展;最后,总结了两类柔性超级电容器仍然存在并亟待解决的问题以及未来发展所面临的关键技术挑战,期望能为柔性超级电容器的研究提供参考和借鉴。     

柔性电池的最新研究进展

柔性电池作为新型柔性电子设备的关键部件,得到越来越多的关注.近年来,柔性锂离子电池取得了实质性的发展,并在卷曲式显示器、触摸屏、可穿戴动力传感器和可植入医疗装置等方面得到应用.本文主要介绍柔性锂离子电池的发展现状,分别从集流体、电极材料和电解质三部分进行阐述,特别介绍拉伸性能的实现途径,根据其不同的结构特点,可以分为波形结构、点阵互联结构、纺织结构、折纸结构和电缆式结构,并提出将柔性材料与新型结构相结合可以促进柔性电池发展.同时,也对其他柔性电池体系,如锂硫电池、燃料电池和太阳能电池等的最新发展进行简单概述.最后,对目前柔性电池的发展过程中存在的问题进行了总结,并对其未来的发展方向与面临的挑战进行展望.     

新型柔性储能器件:柔性锂离子电池

柔性锂离子电池是一种新兴的锂离子电池，虽然与锂离子电池的工作原理相同，但使用柔性的集流体，因此展现出柔性，以及可弯折、可伸缩的特性，所以可以成为柔性/可穿戴器件的动力源。介绍了2种实现柔性锂离子电池的途径：一种是开发基于各种导电集流体（包括碳纳米管、石墨烯和碳布）的柔性锂离子电池；另一种是设计和构筑新型结构（包括电缆/电线型、透明型和可伸缩型）的柔性锂离子电池。     

磷基锂离子电池电极材料进展

磷基锂离子电池能量密度高、资源丰富、价格低廉,在人们的日常生活中得到了广泛的应用.本文综述近年来磷基锂离子电池电极材料的研究进展以及不同类型电极材料的电化学性能,并对未来的研究方向进行展望.     

一种无粘结剂的柔性正极材料用于可充电的钠空气电池

随着全球环保意识的加强,开发具有环保可持续且高能量密度的能源逐渐成为人们关注的焦点.近年来,金属-空气电池凭借其高的能量密度作为能源存储器件已经引起了人们的广泛关注.最重要的是,此类电池的反应物为空气中的氧气,并不需要辅助设备对其储存,使得无论在质量和体积方面均优于其他二次电池.尤其锂空气电池凭借其高的理论比容量11140 Wh/kg,比现有锂离子电池高出1–2个数量级,且有质量轻便等优势,成为近几年的研究热点.然而,考虑到金属锂资源的短缺和金属钠与其具有相似的物理化学性质,因此呼吁用金属钠取代金属锂,钠-空气电池作为未来的储能器件引起了广大研究者的兴趣.但是,钠空气电池目前的实际应用仍存在很多问题：充放电过程中产生过高的过电位,循环寿命低,电解液不稳定,粘结剂的不稳定性,空气正极的结构以及外界操作环境条件等.解决这些问题的一种重要途径就是寻找合适的催化剂和设计合理的电极结构.催化剂的加入既可以增强其氧还原(ORR)及氧析出(OER)活性又可以通过调控电极的结构,为氧气、电子和离子的运输提供更多的通道,从而加速 ORR和 OER进程.基于粘结剂的不稳定性,需设计一体化的正极材料.由于碳纤维布作为柔性集流体具有高的机械强度和电化学稳定性好的优点,因此本文使用水热处理和热处理两步法在碳纤维布上原位生长 Co3O4纳米线(Co3O4 NWs),制备柔性、无粘结剂的一体化正极材料(COCT)用于钠空气电池.本实验以硝酸钴为主盐,尿素为矿化剂,氟化铵为络合剂,通过120°C热处理5 h在碳纤维布上生长 Co3O4 NWs的前驱体,然后经过400°C热处理2 h得到一体化柔性电极材料并用于钠空气电池,该材料表现出优异的电化学性能：充放电过程产生较低的过电位;高的放电比容量4687 mAh/g,碳纤维布作为正极放电容量是1113.7 mAh/g;能稳定循环62圈(碳纤维布作为正极循环16圈).这些优异的性能可归功于 Co3O4 NWs高的催化性能和多孔性效应：(1)由于 Co3O4 NWs紧密地附着在碳纤维布表面,形成了快速的电子传导通道,因而具有优异的电子传导性;(2) Co3O4 NWs之间的空隙以及多孔结构增加了反应的活性面积和活性位点,这种结构有利于氧气和离子的运输以及电解液的扩散,从而加速 ORR和 OER进程;(3) COCT电极结构能为放电产物和反应物提供更多的存储位置,从而提高了放电容量和倍率性能.结果证实,钠空气电池的放电产物是过氧化钠和超氧化钠的混合物.加入催化剂后,放电产物的形貌发生了变化：当碳纤维布作为正极材料时,放电产物的形貌是片状的; COCT电极作为正极材料时,放电产物沿着 Co3O4 NWs生长.这种柔性一体化正极材料的应用,为柔性钠空气电池器件的发展起到了巨大的推动作用.     

氧空位助力柔性钠离子电池

正下一代小型化便携式电子设备,如可穿戴设备、可植入医疗和可折叠器件等的快速发展需要储能器件兼具高能量密度和优异机械柔性的特点。尽管目前有一些不同柔性器件的报道,如柔性太阳能电池、柔性Li-S电池、柔性超级电容器和柔性锂离子电池。但是,目前研究者们大多数还是专注于柔性锂离子电池。值得注意的是,有限的锂资     

静电纺丝在钠离子电池中的应用研究进展

钠离子电池具有与锂离子电池相似工作机理,因其原料资源丰富,是一种极具应用前景的新一代储能设备.然而,钠离子电池面临着电极材料体积膨胀过大、钠离子传输动力学较慢和能量密度偏低等问题,阻碍了其实用化.静电纺丝技术合成的一维钠离子电池电极材料,可通过形貌调控或碳复合方式有效缓冲储钠过程中电极的体积膨胀,而且具有连续的电子传递和较短的离子传输路径,从而改善钠离子传输动力学,以提高电池倍率性能.通过电纺还可简便地制备直接用于钠离子电池的柔性纤维膜来提高电池的能量密度.综述了静电纺丝技术制备钠离子电池材料的研究进展,主要包括正极和负极材料,对今后静电纺丝在钠离子电池中的发展进行了展望.     

锂离子电池电极材料选择

商用锂离子电池发展至今已有20年,为了满足不同方面的社会需求,人们迫切需要新型锂离子电池电极材料.本文首先简要介绍了锂离子电池的相关知识,随后对多种新型锂离子电池正负极材料的制备、改进方法及电化学性能做了详细介绍,最后对各种电极材料的优缺点进行了简要的总结.本文还对锂离子电池在未来的应用进行了展望,以期待锂离子电池更好...     

柔性锌-空气电池进展与展望

近年来,人们越来越关注柔性可穿戴电子设备。柔性锌-空气电池由于有较高的理论能量密度以及对像人体一样不均匀表面的适应能力,有望成为下一代电子产品的电源。在柔性锌-空气电池研究领域,人们已经取得了较好的研究进展,各种柔性锌-空气电池的制备方法已被报道。本文阐述了近年来柔性锌-空气电池的主要成就以及面临的困难,特别是关注凝胶电解质、金属阳极以及柔性空气阴极对柔性锌-空气电池电化学性能的影响,最后讨论了柔性锌-空气电池面临的主要挑战与发展前景。     

基于阵列电极的新型混合电容器

混合电容器由于兼具电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优势,成为当前储能领域的研究热点。然而,电池电极和电容电极之间容量和功率的不平衡严重限制了混合电容器的实际性能。因此,如何实现二者的有效匹配,优化器件性能是混合电容器实用化的关键。阵列电极的使用打破传统粉末电极中不导电粘结剂对电化学动力学的限制,其独特的结构为正负极的匹配提供了新策略。此专论结合新型储能器件的研究现状以及本课题组在混合电容器方面的探索,简单探讨了混合电容器的储能机理和阵列结构作为电极材料的优势,着重介绍了本课题组近年来在混合电容器领域的研究工作,针对存在的科学问题提出了相应的解决方案,阐明了阵列电极混合电容器在柔性/可穿戴电子器件等领域的应用前景,并展望了混合电容器在未来的发展方向和挑战。     

细菌纤维素基柔性锌离子电池正极的构筑及性能研究

柔性锌离子电池(ZIBs)具有高安全性、低成本和高能量密度等优势, 但是现有的ZIBs柔性电极难以兼具高电化学性能和力学稳定性. 其中, 缺少适合的基底材料是限制柔性电极发展的关键. 本工作中, 以细菌纤维素(BC)为基底材料, 结合原位聚合及真空过滤方法, 制备了具有3D多孔结构的BC/聚苯胺/碳纳米管(BC/PANI/CNTs)柔性电极. BC固有的高抗拉伸强度和超细纳米纤维网络结构等特点, 在赋予柔性电极高弯曲特性的同时, 还有利于活性物质的负载及电解液离子的快速扩散. 结果表明, BC/PANI/CNTs具有高柔韧性、7.3 mg/cm²的负载量和157 mAh/g的比容量. 以BC/PANI/CNTs电极构建的准固态ZIBs展现了109 mAh/g的比容量, 且200次充放电循环后容量保持率大于90%.     

新型超级电容器的研发进展

传统超级电容器受低能量密度的限制,在当今器件研发中需更加关注电极材料结构-组成-性能研究。 本文总结了新型赝电容器的发展历程及其研发过程中存在的挑战与解决措施,着重从胶体离子超级电容器电极材料等新型的电极材料和氧化还原电解质两个方面进行综述。 原位合成的胶体离子超级电容器电极材料比非原位合成的电极材料具有更高的反应活性,并且以近似离子的状态存在,有效增加了电极材料的比容量。 氧化还原电解质的使用在不改变电极材料的前提下,进一步提高了超级电容器的能量密度。 初步介绍了新型锂离子电容器。 锂离子电容器同时使用电池型材料和电容型材料,可提高其能量密度。 依据当前超级电容器的研发现状,未来有望将电池材料和电容器材料结合使用,进而形成电池电容器或电容电池,使其同时具有高的能量密度和功率密度。     

蓬勃发展的金属锂负极

当今,国际格局正在产生重大变革,能源利用从传统化石能源主体逐渐转向低碳可再生能源。以电化学反应为基础的高效储能体系不受地理环境限制。发展高能量密度与高安全性的电化学储能技术,是以可再生能源、新能源汽车工业为代表的能源革命的重要环节。目前,锂离子电池技术成熟度高,在促进社会智能化、便携化进程中发挥着重要作用。基于电化学插层反应的锂离子电池经过将近三十年的发展,能量密度趋近于理论极限,但仍不能满足当代社会的储能需求。因此,发展高安全高比容量的下一代电极材料势在必行。     

锂离子电池高压电解液

锂离子电池作为一种绿色可充电电池,具有较高能量密度以及功率密度,是便携式电子产品的首选,并逐渐应用于动力汽车领域。为了更好地满足其应用需求,需要进一步提高当前锂离子电池的能量密度。不同于高压正极材料的快速发展,传统电解液在较高工作电压下容易分解,很大程度上阻碍了高能量密度锂离子电池的商业化应用。作为锂离子电池的重要组分,电解液对其多方面性能均具有重要影响,因此亟需提高电解液的工作电压以解决锂离子电池能量密度较低的问题。本文从新型有机溶剂以及高电压添加剂两方面入手,综述近年来国内外高压电解液的研究进展,介绍理论计算对于设计高压电解液的作用,并对高压电解液的发展及前景做出总结和展望。     

一种高容量茴香状硫化铜柔性电极的制备及其在超级电容器中的应用

柔性电极由于在可穿戴电子设备领域具有重要应用而备受关注，然而其制备工艺繁琐、价格昂贵、负载量低和比容量低等问题限制了其发展.为解决这些问题，迫切需要开发负载量大、比容量高的柔性电极材料.本文利用简单的化学电镀和低温固相反应方法，制备了茴香状的CuS@CPCC-24柔性电极材料.这种紧密堆砌的薄片具有大量的孔隙，能够提供足够的活性位点，进而有效增加存储电荷的能力.结果表明，CuS@CPCC-24柔性电极不仅在电流密度为2 mA·cm^-2时可达到1 150.2 mF·cm^-2的最大电容，而且循环稳定性较好，展现了其在柔性储能器件领域具有潜在应用.     

Fe2O3锂离子电池负极材料研究进展

Fe2O3锂离子电池负极材料因其具有的高能量密度而备受关注。但Fe2O3电极材料存在的如低导电性、充/放电过程中体积改变导致的循环稳定性差等问题限制其实际应用。介绍了高比表面积、结构稳定以及储锂动力学等因素对锂离子电池负极材料电化学性能的重要影响,综述电极活性材料纳米化、形貌控制和杂原子掺杂对Fe2O3负极材料电化学性能改善的相关研究进展,最后对Fe2O3电极材料的发展前景进行了展望。     

核壳结构的锂离子电池材料

核壳结构材料可以实现核与壳功能的复合与互补,近年来核壳结构的设计理念也被引入到锂离子电池材料中。本文综述了纳米/亚微米核壳结构锂离子电池材料的制备方法、电化学性能和结构稳定性等方面的最新研究进展,评述了该类材料存在的问题并展望了其发展前景。商业化的锂离子电池材料还不能满足高能量密度和安全性等多方面的要求,通过合成核与壳功能互补的材料,可望提高材料的综合性能.     

无纺布基聚吡咯柔性电极的储锂性能

高性能的柔性锂离子电池对可穿戴电子设备的发展具有重要意义。采用化学氧化法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺布基材上原位聚合聚吡咯(PPy),并通过控制反应条件得到不同形貌的聚吡咯电极材料。当反应体系中剪切力较小时,得到纳米线状聚吡咯(PPy-NW/PET),反之,为纳米颗粒形貌的聚吡咯(PPy-NP/PET)。PPy纳米线的平均直径为460 nm,在包覆PET纤维的同时相互交叠,形成了三维网状导电通道。该PPy/PET可以直接作为无粘结剂的柔性电极材料。电化学测试结果表明,PPy-NW/PET电极材料的性能更优异,其首次放电和充电的比容量分别为124和98 mA[DK1]·h/g,且具有良好的柔性和稳定性。本文对柔性、轻质电极材料的制备及其在储能领域的应用提供了很好的思路。     

本科生综合化学实验设计:水系锌离子电池组装与测试

将柔性电极的制备以及电池组装引入本科教学实验,使学生体验电池组装及测试全过程。以电沉积制备柔性电极材料为正极,Zn箔为负极,完成全流程构筑柔性Zn-MnO₂电池器件。该实验安全性高,成本低,条件温和,常温常压下即可完成。通过充放电测试、循环伏安法测试等,计算所制备电极的质量能量密度。且电池在不同弯曲条件下,可以点亮LED灯泡。本实验内容丰富,有助于学生综合技能的提升和科学思维的培养,更加贴合现代化学学科发展,使学生更清晰地理解电化学储能相关概念,该实验可作为化学类、材料类本科生专业综合性实验开设。