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低温锂电池

术防水又防火的柔性电池新技

钜大LARGE  |  点击量:58次  |  2020年03月26日  

摘要
近期,吉林大学材料科学与工程学院、汽车材料教育部重点实验室鄢俊敏教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为“A Water-/Fireproof Flexible Lithium–Oxygen Battery Achieved bySynergy of Novel Architecture and Multifunctional Separator”的研究

柔性电子技术的迅速发展已经在全世界范围内引起了广泛关注,并有可能在未来引发一场巨大的产业革命。与传统的刚性半导体器件相比,柔性电子器件不论材料还是器件结构都必须做出相应的改变。柔性储能系统被认为是柔性设备的关键部分。然而,就目前最先进的柔性电力系统(柔性锂离子电池、超级电容器等)而言,其理论能量密度较低,难以满足目前柔性电子器件的续航要求。


近期,基于2Li++2e−+O2⇌Li2O2反应的锂氧(Li-O2)电池的理论能量密度高达3500whkg-1,远远高于传统锂离子电池和超级电容器。因而,锂氧电池柔性化被认为是一个解决柔性电子器件能源问题的潜在解决方法。


图1锂氧电池工作原理


典型的Li-O2电池中,氧作为阴极材料储存在电池外面,这就要求其封装时必须留有与外部环境进行气体交换的通道。Li-O2电池中的负极材料都采用金属锂材料。众所周知,锂金属在遇到水分和热的环境下会发生反应,释放大量的气体和热量,大大新增了电池爆炸的危险性。特别是Li-O2电池体系的半开放特性,使得设计和制造柔性Li-O2电池过程中必须克服许多前所未有的障碍。


近期,吉林大学材料科学与工程学院、汽车材料教育部重点实验室鄢俊敏教授团队在《AdvancedMaterials》上发表了题为AWater-/FireproofFlexibleLithium–OxygenBatteryAchievedbySynergyofNovelArchitectureandMultifunctionalSeparator的研究论文。该论文以PI-PVDF复合材料(PIPV)作为电池隔离膜,并创新性的在开发制备中设计了空风道结构的Li-O2电池结构。PIPV作为隔离膜,具有良好的阻水特性、热稳定性以及良好的离子迁移特性,采用这种隔离膜制备的Li-O2电池结构表现出了良好的防水耐火特性。


图2柔性锂氧电池(SFLO):a)应用于潜水的示意图;b)结构模型图;c)PIPV隔离膜的制备过程示意图


图2展示的是这种电池的结构细节图。从SFLO电池的中空结构特性和耐水特性来看,这种电池非常适合作为潜水员的通气管道,并为设备供应动力。特别要注意的是,正极反应所需氧气将来自于用于潜水员呼吸用的气瓶,并不要额外供应氧气容器,大大降低系统负载。图1b详细展示了这种电池结构:(1)最外层由具有热缩特性管(HST)组成,可以有效地防止湿气侵蚀,确保在水中也能正常工作;(2)耐热性GF,有效隔绝外界热量传递,防止电解液燃烧,确保电池使用过程中的安全性;(3)PIPV膜起电解质储层的保护用途,保证电解质的充分供应;(4)阴极、隔膜、阳极、泡沫镍螺旋带的结构具有足够的弹性;(5)泡沫镍上的HST涂层对增强泡沫镍和电池的结构稳定性具有非常重要的用途;(6)HST包覆有许多孔的泡沫镍供应先进的氧气扩散通道,使整个阴极完全与氧气接触;(7)最为重要的就是,负极上的金属锂完全被PIPV包裹住,这样能够最大化的提高电池的安全性能。


图3不同环境下的SFLO电池驱动商用LED屏幕:a,b)空气中;c,d)水中;e,f)渗透测试过程中的可见光照片和红外照片。


图3展示的是在水下电池依然作为商用LED屏幕的电源驱动屏幕。并且在弯曲、折叠等条件下依然能保持良好的工作状态,这充分说明了这种电池具有良好的耐水稳定性。


此外,电池在明火烧烤的情况下,也能够保持稳定,没有发生明显的泄露和燃烧,这充分说明了这种结构的电池具有非常良好的耐火特性。


图4a,b,c)模拟SFLO的防火性测试;e)不同弯曲角度下的放电电势;f)无持续氧气条件下的放电曲线


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