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電纜式鋰硫電池成柔性器件的新寵

時間:2017-01-13 16:54來源:鋰硫電池 作者:李蘭
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    柔性和可穿戴器件的發(fā)展在近年來的研究中受到了廣泛關(guān)注。但是,能源供給器件的多重挑戰(zhàn)卻嚴(yán)格限制了其發(fā)展。雖然柔性電池在材料方面的研究已經(jīng)不是新課題,也取得了相當(dāng)不錯的研究成果,但是,材料的柔韌性仍然是限制柔性能源器件發(fā)展的重要因素,包括電極材料及導(dǎo)電基底在內(nèi)的柔性特質(zhì)都亟待提升。之前報道的柔性材料只能進行簡單的彎折實驗,若進行類似于卷曲等復(fù)雜變形時,便顯得力不從心。另外一個就是柔性能源器件本身的能量儲存能力,大部分簡單的柔性電池利用的僅僅是常規(guī)材料,這就嚴(yán)格限制了電池的儲存能力,也就嚴(yán)格限制了柔性可穿戴器件的發(fā)展。
    相較于平面柔性器件的發(fā)展,一維線性柔性器件受到了越來越多的關(guān)注。這些線型儲能器件具有十分優(yōu)異的柔韌性,并且,得益于其可以作為線型材料被紡織進布料內(nèi),成為制備可穿戴器件的最佳候選。但是過去的研究仍然限制于其材料的儲能性能,提高其儲能能力是其未來發(fā)展的重中之重。
    鋰硫電池被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮茉磧Υ嫜b置,雖然柔性鋰硫電池電極材料的研究正在如火如荼的進行,但是真正作為柔性鋰硫電池的制備卻少之又少。作者利用定向排列的碳納米管纖維,結(jié)合介孔碳材料CMK-3,氧化石墨烯材料,制備了一種電纜式鋰硫電池。該電池兼具優(yōu)異的柔韌特性與良好的能量儲存能力,為制備可穿戴器件的發(fā)展奠定下了很好的理論研究基礎(chǔ)。
 
    圖一 電纜式電極材料的形貌表征
    該電極材料利用介孔碳材料CMK-3作為硫活性物質(zhì)的載體,利用熱熔法將硫完全浸潤到CMK-3的介孔結(jié)構(gòu)中,為了更好地實現(xiàn)對多硫化物的限域效應(yīng),利用溶液法,在CMK-3@S復(fù)合材料表面,負(fù)載一層GO薄層,利用物理阻隔效應(yīng)防止多硫化物的流失。利用定向排列的碳納米管纖維作為上述材料的導(dǎo)電基體,實現(xiàn)其在碳納米管纖維薄層上的高效負(fù)載,并利用繞曲過程將碳納米管薄層“紡”成線狀電纜。得益于碳納米管纖維層的超輕性質(zhì)(1.4 μg cm-2),該材料中硫的比例可以達(dá)到68%,該材料的密度分布在0.17–0.20 mg cm?1。該材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能,在0.1C的電流密度下,初次放電容量可以達(dá)到1051mAh g?1,循環(huán)100圈之后仍然有600 mAh g?1. 在1C的放電倍率下,循環(huán)200圈之后,其庫倫效率仍然高達(dá)99%。
    
    圖二 電纜式鋰硫電池電極材料的電化學(xué)性能表征
    作者以上述材料作為正極,鋰線作為負(fù)極構(gòu)建了電纜式鋰硫電池器件,開路電壓可以達(dá)到3.2V,并且展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌特性。該電池可以點亮觸發(fā)電壓為1.8V的LED燈,1.8mg的電極材料(10cm)可以持續(xù)點燃LED燈30分鐘。作者還將五根電纜式鋰硫電池器件紡織進布料中,制備“儲能布料”。該電池兼具優(yōu)異的柔韌特性與良好的能量儲存能力,為制備可穿戴器件的發(fā)展奠定下了很好的理論研究基礎(chǔ)。
    圖三 電纜式鋰硫電池器件展示
    
(責(zé)任編輯:王杰)
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