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.     

柔性锂离子电池的电极

科技进步使可穿戴设备等便携式电子产品得到了快速发展,柔性电池作为其核心部件,受到越来越多研究者的关注。锂离子电池因具有良好的循环稳定性和较长的使用寿命等优点,成为各类产品的主要电源。为满足电子产品柔性化、微型化发展需求,开发高能量密度的柔性锂离子电池成为亟待解决的问题,作为其关键材料之一的柔性电极是重要的研究方向。本文阐述了柔性锂离子电池电极的研究进展,包括基于自身带有电化学活性的碳材料、Mxene材料的一体化柔性电极,基于非电化学活性的聚合物材料、纺织材料、金属基的一体化柔性电极,以及为满足可穿戴设备可编织和大尺寸形变使用需求的宏观柔性新型电极结构设计,分析并探讨了柔性电极目前存在的问题,以期为未来高能量密度柔性锂离子电池的研究提供新的思路。     

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。     

柔性染料敏化太阳电池*

染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cell, DSSC）是一种新型太阳电池。其中柔性DSSC研究在追求太阳电池的新型用途和低成本化方面起着重要作用。本文综述了柔性DSSC国内外最新的研究成果,重点介绍了柔性DSSC的特点,柔性基板的选择及针对基板所制作的不同结构的电池,还介绍了纳米晶TiO₂ 薄膜的低温制备技术,如热液法、低温烧结法、电泳沉积法、化学气相沉积法、微波照射法、加压法等方法及柔性对电极的制备新技术。最后,对柔性DSSC的应用前景进行了展望。     

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。     

柔性锌离子电池水凝胶电解质研究进展

为了满足多样化的柔性可穿戴电子设备的发展,需要与之相匹配的供能系统.柔性锌离子电池因其安全性高、易组装及能量密度高等特点受到广泛关注,而水凝胶电解质则是柔性锌离子电池中的重要组成部分,因此受到广泛研究.综述了水凝胶电解质的可控构筑方法,详细总结了柔性锌离子电池水凝胶电解质的最新研究成果,包括力学增强型、自愈合型、低温型和环境响应型水凝胶电解质.此外,还对高性能水凝胶电解质的未来发展进行了展望.     

高机械稳定性的柔性钙钛矿太阳能电池的研究进展

柔性钙钛矿太阳能电池是当前最高效的柔性光伏技术之一,应用前景广阔.但器件的机械稳定性制约了其综合稳定性及安全可靠性.本文综合评述了近年来国内外研究团队围绕提升柔性钙钛矿太阳能电池机械性能的研究进展,从柔性基底优化、新型柔性透明电极开发、晶粒调控、晶界改性、界面工程等不同角度分析总结了柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性的优化方案及进展,对柔性钙钛矿太阳能电池的瓶颈及挑战进行了总结和建议.     

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.     

碳纳米管能让电池变柔软

美国新泽西理工学院的科学家近期开发出一种由碳纳米管制成的柔性电池,未来有望在柔性显示器和可穿戴电子设备上获得应用。电子产品制造商现在已经制造出了柔性OLED显示器,这种开拓性的技术将让我们身边的电子产品发生根本性的改观,可以折叠的手机、平板电脑和电视正在从科幻走入现实。而这种新型柔性电池的研制成功无疑让这些柔性可折叠设备离我们更近了一步。领导该项研究的美国新泽西理工学院化学与环境科学教授萨曼尼·米特拉说,这种电池由碳纳米     

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。     

二氧化锰/石墨烯纸电极的制备及其电化学性能

通过电化学法使溶液中的Mn²⁺电解氧化为MnO₂,沉积复合在石墨烯片膜上,形成由MnO₂/石墨烯复合材料构成的纸电极。 采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)、循环伏安(CV)和恒流放电等技术手段对纸电极材料的结构、形貌以及电化学性能进行了研究。 结果表明,MnO₂球形颗粒均匀地沉积在石墨烯片膜上,形成了厚度45 μm的纸电极,经过380 ℃煅烧后,纸电极中的MnO₂晶型由γ-MnO₂转化为β/γ-MnO₂混合晶型,是良好的柔性Li/MnO₂电池的电极材料。 MnO₂/石墨烯纸电极在室温下0.1C放电容量达269 mA·h/g,而且电化学阻抗低、柔韧性好。     

自支撑多孔碳/硒复合柔性电极的制备及其电化学性能

以二氧化硅（SiO₂）为模板,结合静电纺丝与溶胶-凝胶法制备了多孔碳纳米纤维膜（PCNFS）,再通过熔融扩散法负载硒,制备了一种柔性的碳/硒复合电极（Se@PCNFS）。结合X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对材料的微观结构和形貌进行表征,结果显示多孔碳纤维直径约300 nm,硒均匀地嵌入碳纤维膜的孔洞中。电化学测试结果表明,1Se@PCNFS电极在锂硒电池中表现出优异的循环性能和倍率性能。在0.5C倍率下,初始放电比容量达到569 mAh·g^-1,循环500次后比容量为340 mAh·g^-1;在2C倍率时,比容量为403 mAh·g^-1。     

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%.     

Hollow Capsule NiCo2NS Prepared by Self-Sacrificing Template Method for High-Efficiency Bifunctional Catalyst and Its Application in Zn-Air Battery

Exploring the application of high-efficiency bifunctional oxygen catalysts to rechargeable zinc-air batteries has been a research hotspot in recent years. We succeeded in obtaining NiCo₂NS with a hollow capsule structure through the self-sacrificing template method, which has a larger specific surface area and can provide more active sites for electrocatalysis relative to his solid. The introduction of S can change the valence distribution of N and the electronic structure of the M−N bond, so that NiCo₂NS exhibits excellent performance in the overpotential and stability of the oxygen reduction and oxygen evolution reactions. It shows an overpotential of 154 mV at 10 mA cm⁻² and a half-wave potential of 0.76 V. When used as a bi-functional catalyst in zinc-air batteries, it exhibits good stability within 400 h. The flexible battery assembled by NiCo₂NS also shows excellent performance, and can be cycled stably for 20 h. The current maintains good stability when it is bent at different angles during the cycle.     

Recent advances in conjugated polymer energy storage

This review covers recent advances in conjugated polymers and their application in energy storage. Conjugated polymers are promising cost-effective, lightweight, and flexible electrode materials. The operating principles of conjugated polymers are presented within the framework of their potential for energy storage. Special focus is given to polyaniline electrodes. Recent advances are reviewed including new methods of synthesis, nanostructuring, and assembly. Also, covered are applications that take full advantage of the mechanical properties of conjugated polymers and future applications of these novel materials. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys, 2013     

二氧化锡/石墨烯柔性电极的制备及其在锂离子电池中的应用

采用简便的抽滤装置制备了三明治结构的不同粒径大小的二氧化锡(SnO_2)/石墨烯柔性薄膜电极,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、比表面积(BET)和电化学等测试技术手段对样品结构、形貌和电化学性能进行表征,研究了二氧化锡颗粒大小对复合电极电化学性能的影响。结果表明,当SnO_2纳米颗粒的粒径为6 nm时柔性复合电极表现出最优的电化学性能,在100 m A/g的电流密度下经过100次循环后,可逆比容量保持在555 m A·h/g,远高于纯SnO_2和粒径过大或过小的SnO_2/石墨烯复合电极。     

银负载量对网状TiO2柔性薄膜电极储锂性能的影响

本工作采用水热法结合银镜反应制备出一系列不同Ag负载量（2.2%、4.0%、6.4%,w/w）改性的3D纳米网状结构Ag@TiO₂薄膜电极。利用电感耦合等离子体技术（ICP）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线能谱（EDX）等表征手段测试所合成材料的形貌及成分,实验结果表明Ag纳米颗粒可以成功沉积在TiO₂纳米线表面。电化学测试数据则表明,4.0%（w/w）负载量的Ag@TiO₂相比于未改性和其他负载量的TiO₂纳米线具有更好的倍率性能和更稳定的可逆容量。在50,100,200,400,800和1 200 mA·g^-1的电流密度条件下,该改性电极的放电容量可分别达到261.4,253.7,239.5,216.5,193.1和185.1 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1下循环80次后容量保持率仍能达到99.8%。     

银负载量对网状TiO_2柔性薄膜电极储锂性能的影响

采用水热法结合银镜反应制备出一系列不同Ag负载量(2.2%、4.0%、6.4%,w/w)改性的3D纳米网状结构Ag@Ti O2薄膜电极。利用电感耦合等离子体技术(ICP)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线能谱(EDX)等表征手段测试所合成材料的形貌及成分,实验结果表明Ag纳米颗粒可以成功沉积在Ti O2纳米线表面。电化学测试数据则表明,4.0%(w/w)负载量的Ag@Ti O2相比于未改性和其他负载量的Ti O2纳米线具有更好的倍率性能和更稳定的可逆容量。在50,100,200,400,800和1 200 m A·g~(-1)的电流密度条件下,该改性电极的放电容量可分别达到261.4,253.7,239.5,216.5,193.1和185.1 m Ah·g~(-1),在200 m A·g~(-1)下循环80次后容量保持率仍能达到99.8%。     

A Flexible Rechargeable Zinc–Air Battery with Excellent Low‐Temperature Adaptability

Flexible zinc–air batteries (ZAB) are a promising battery candidate for emerging flexible electronic devices, but the catalysis‐based working principle and unique semi‐opened structure pose a severe challenge to their overall performance at cold temperature. Herein, we report the first flexible rechargeable ZAB with excellent low‐temperature adaptability, based on the innovation of an efficient electrocatalyst to offset the electrochemical performance shrinkage caused by decreased temperature and a highly conductive hydrogel with a polarized terminal group to render the anti‐freezing property. The fabricated ZABs show excellent electrochemical performances that outperform those of many aqueous ZABs at room temperature. They also deliver a high capacity of 691 mAh g^?1 and an energy density of 798 Wh kg^?1 at ?20 °C (92.7 % and 87.2 % retention of the room temperature counterparts, respectively), together with excellent flexibility and reverting capability.