柔性锂离子电池需求克服的技能障碍

卡片式或穿戴式智能设备常常遇到的运用场景是需求放在钱包或许口袋中随身携带，这就要求电池可以接受曲折或许歪曲。这类设备常常需求运用超薄柔性电池，可是这类电池在受到曲折或歪曲之后功用容易衰减，造成设备运转时刻缩短。在柔性锂离子电池方面，以下问题一直是需求克服的技能障碍：

1、现在的锂离子电池资料本身不具备柔性，怎么让电池资料习惯这种使用场景

2、电池被曲折/歪曲时，怎么坚持电池资料颗粒之间杰出的接触，减低接触阻抗

3、在电池被曲折/歪曲的场景下，怎么确保电池不漏液。

4、怎么进步活性物质载量，进步电池容量

2017年1月，松下在CES2017展会上展出他们的最新超薄柔性锂离子电池研讨成果，该柔性锂离子电池可以接受一定的曲折和歪曲，满意日本JIS标准(JISX6305-1)，相当于可以满意曲折半径R40mm，歪曲视点±15°/85.6mm，电池厚度仅为0.55mm，主要使用领域是卡片式设备或许穿戴设备。该电池最引人注目的特点是在曲折到25mm半径和歪曲25度之后还能坚持其功用。截至2016年9月，松下为该柔性电池技能申请了25项日本专利和15项海外专利。其柔性电池外观和主要参数如图1所示。

通常，电池通过曲折或歪曲之后，关于循环寿命会有很大的影响。可是松下新开发的超薄柔性电池克服了这一缺点，这主要得益于松下重新规划了柔性电池的叠片式电极结构(图2是基本结构)，其中，电极electrode和外层outerlayer规划得到了优化，使其可以抵御曲折/歪曲，可是详细怎么优化目前还不清楚。例如，重复曲折1000次、或许歪曲1000次(歪曲视点±25°/100mm)后的放电容量可以坚持初始容量的99%(图3)。而且在通过1000次的充放电循环测验之后(图4)，充放电循环寿命几乎与没有曲折/歪曲的电池坚持一致，容量坚持率到达80%。

目前，跟着智能穿戴设备的鼓起，超薄柔性电池的研讨正在受到越来越多的重视。尽管松下发布的三款柔性电池看起来功用相当不错，可是可以看到，这三款电池的容量仍是很小的，最大的也才只要60mAh，无法满意稍微大一点的智能便携式或许穿戴设备的运转时刻，该研讨领域目前还处于开展成长阶段。跟着现代便携式智能设备或穿戴设备的功用不断增强，电池耗电量问题一直是需求面临的应战，例如现在智能手机的电池容量都不得不增加到1000mAh、2000mAh、3000mAh、乃至4000mAh或许更高了。因而，要真正完成这种新式柔性锂离子电池技能，最基本的一条便是必须具备几千mAh的容量，以确保只能设备的运转时刻。更重要的是，功用在电池受到机械形变时不能有所衰减。只要这样才能满意现在众多的便携式/穿戴式智能电子设备。

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跟着电子技能的快速开展，越来越多的电子设备正在向着轻薄化和柔性化的方向进行开展，例如三星和LG都推出了自家的柔性可折叠的屏幕，而且正在计划推出可折叠的手机等产品，目前显现组件和电路都可完成柔性和可折叠，目前最大的应战便是可以折叠的储能电源产品，传统的锂离子电池、超级电容器等产品，不但体积笨重，而且还无法折叠，在体积变化过大时，乃至会导致正负极之间发生短路，引发热失控，导致严峻的安全问题。因而为了习惯下一代柔性电子设备的开展，锂离子电池的开展方向也应向着柔性、可折叠的方向进行开展。

关于锂离子电池和超级电容器等化学电源来说，完成柔性最大的阻碍是集流体的柔性化规划，不但要确保柔性电极具有杰出的机械功用，还要具有杰出的电化学功用。从今天开始，咱们将分两篇为我们介绍柔性储能电源规划的最新开展状况，包含柔性锂离子电池和柔性超级电容器两个部分。

为了完成锂离子电池的柔性化规划，人们对多种道路进行了测验，例如聚合物电池、纤维素基电池和纸基电池，研讨显现对锂离子电池折叠功用影响最大的是电极和集流体的规划，下面咱们就依照技能方向对目前柔性锂离子电池规划开展状况进行介绍。

柔性纸电池

说起纸张我们都不陌生，造纸术是我国四大发明之一，虽然不清楚为什么咱们什么都喜爱凑四个，像什么四大名著、四大才子、四我们族了，可是造纸术的发明的确对人类文明开展的进程产生了重大的影响。纸张表面粗糙，孔隙率高，非常合适离子的分散，而且纸张具有柔性可折叠的特点，因而非常合适用于出产柔性锂离子电池。在锂离子电池中，纸张既可以用作集流体，也可以用作隔阂，当然这需求对传统的纸张进行改性处理，例如在纸张的表面涂布一层多壁碳纳米管SWCNTs以增强纸张的导电性，以碳纳米管CNT与纤维素复合制成具有杰出导电性的柔性电极，当然纸也可以作为隔阂，在最近的一项报道中，以多壁碳纳米管薄膜为集流体，并分别涂布正、负极活性物质，以纸张作为隔阂和支撑结构，电池不只具有杰出的可折叠特性，还具有优异的电化学功用，特别是该电池的自放电功用，存储350h，电压仅下降5.4mV。

3D电极柔性锂离子电池

锂离子电池的容量和倍率功用与电极的活性面积有着密切的关系，通过对锂离子电池的电极结构进行改进，增加电极的活性面积，进步Li+的分散动力学条件是提高锂离子电池功用的重要途径。最近的研讨发现，具有3D结构的碳纺织品具有杰出的导电功用还具有极佳的机械功用，因而非常合适用来替代传统的金属集流体。通过在碳纤维的表面成长一层ZnCo2O4纳米线资料，负极的比容量可以到达1300mAh/g，以该资料作为负极，钴酸锂作为正极制成的锂离子电池在弯折的状况下也可以正常作业，耐久性试验中，该电池弯折数百次后仍然可以正常作业，可是目前碳纺织品资料的主要问题是面密度太高，影响电池的能量密度提高。假如运用超薄钛箔作为集流体，涂布一层具有3D结构的活性物质，可以明显的提高电池的倍率功用，同时确保杰出的柔性。最近新兴的石墨烯泡沫资料，由于质量轻，导电性好，拥有极好的可折叠性，吸引了广泛的重视，例如研讨显现，以Li4Ti5O12与石墨烯泡沫构成复合资料，在200C的超高倍率下，仍然可以取得86mAh/g的比容量，而且坚持了杰出的可折叠性，在曲折半径到达5mm时，容量仅轻微的降低了1%。

全固态电解质

传统的液体电解质，由于热安稳、机械安稳差等问题，使得柔性电池的可曲折性受到了很大的限制，而近年来开展起来的塑料晶体电解质恰好解决了传统的液体电解质安稳性差的问题，塑料晶体电解质主要由锂盐和塑料晶体组成，具有杰出的热安稳性和较好的离子电导率，可是传统的塑料晶体电解液在室温下更多呈现出液体的行为，因而导致其存在机械功用差等问题，需求通过相应的改造手段进行改造，通过在在塑料晶体电解质中增加PET纤维，可以明显的改进塑料晶体电解质的机械功用，以LiCoO2为正极，Li4Ti5O12为负极，以通过强化处理的塑料晶体电解质为电解质和隔阂，该电池表现出了杰出的可曲折性，即便在缠绕几圈的前提下，仍然可以正常作业。但上述电解质的厚度一般为25um左右，还无法满意轻薄化锂离子电池的规划需求，于是人们对锂磷氧LPON资料进行研讨，该固体电解质的厚度可以做到2um，仍然可以坚持杰出的电化学功用。

柔性离子电池结构规划

关于柔性电子元器件的规划，对其规划限制最大的便是电池的形状，比较于传统的片状电池，线型锂离子电池在这方面具有天然的优势，例如最近LG化学公司就推出了一款，线型锂离子电池，该电池具有中空螺旋型的负极结构，改性无纺布隔阂，和外部的正极结构，该电池电压平台3.5V，容量线密度为1.0mAh/cm，该电池具有杰出的可曲折性，更为重要的是该电池不必像传统的锂离子电池那样安顿在电子设备的内部，可以放置在任何地方，因而可以极大的便利可穿戴设备的运用。跟着可延展电子设备的开展，柔性电子设备不只要接受曲折变形，还要可以曲折，拉伸和紧缩等受力形式，因而为可延展电子设备供给储能电池是一个巨大的应战，目前一条可行的技能方案是进行单元化规划，也便是将传统的整个锂离子电池分割成一个一个独立的小单元，一般是以弹性硅胶薄膜作基体，不同的小单元之间相互连接。通过测验，该方法制备的电池可以延展到300%以上，仍然可以坚持杰出的电化学功用。目前柔性锂离子电池的规划还仅仅是起步阶段，还有许多问题需求解决，例如，怎么在确保电池具有杰出的机械功用的前提下提高锂离子电池的比能量和安全功用，这需求在电解规划和电解液规划，以及电池结构规划上共同着手才能完成。