導讀
據韓國浦項科技大學官網近日報道,該校研究人員開發出一款整體式電極,它可以取代笨重的銅采集器,使開發高容量柔性電池成為可能。
背景
如今,随着需要大容量電力的可穿戴設備與智能手機(例如可折疊手機和5G手機)上市,科學家們對于電池的興趣日益增長,并研制出各種類型的電池,例如嵌入到智能手表腕帶中的柔性電池,或者為無線充電開發的無線電力分享電池等。下面為大家例舉三款新型柔性電池:
模仿人體脊椎的柔性锂離子電池(圖片來源:Yuan Yang / 哥倫比亞大學工學院)
像創可貼一樣具有彈性的柔性太陽能電池(圖片來源:J. Rogers,伊利諾伊大學)
利用汗水為可穿戴設備供電的柔性燃料電池(圖片來源:加州大學聖地亞哥分校)
可是,目前還沒有一家電池生産商可以制造出數千毫安時(mAh)容量的可折疊電池。
創新
近日,韓國的一支研究團隊開發出一款整體式電極,它可以取代笨重的銅采集器,并使得開發高容量柔性電池成為可能。
韓國浦項科技大學化學與先進材料科學系教授 Soojin Park 和他的博士後研究員 Jaegeon Ryu、博士生 Jieun Kang 與韓國材料科學研究院展開合作,成功開發出一款具有超薄三維有機電極的柔性電池。
具有整體式電極的柔性電池的演示(圖片來源:Soojin Park/浦項科技大學)
此外,他們采用一款三維銅集電器1),能将電池的重量減輕到傳統銅集電器的十分之一以下。他們用有機材料替代石墨陽極,能将電池的能量密度提高到四倍以上。他們的研究成果發表在最近一期的《ACS Nano》期刊上。
技術
有機材料的導電性較低,而且目前沒有使集電器與有機材料合為一體的方案。因此,在這項研究之前,科學家們一直無法研制出一個具有有機材料的整體式電極。該研究團隊研究出一種新方案,以取代使電池變笨重的集電器和低能量密度的石墨陽極,目的在于創新性地減輕電池重量。
團隊采用單壁碳納米管(SWCNT)氣凝膠,制造出一種高導電性的三維結構。在這裡,他們通過塗覆納米級的“酰亞胺基網絡(IBN)”2)有機材料,制造出超薄的整體式有機電極。
塗有單壁碳納米管的有機電極的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。(圖片來源:Soojin Park/浦項科技大學)
三維整體式電極塗有8納米并可調節厚度的超薄有機 IBN 層,可達到 1550 mA h g-1的容量,并反複充電逾800次。這些電極塗上了有機材料。盡管它們的本征導電性差,但卻具備了高導電率,并通過幫助锂快速轉移通過大量氧化還原活性位點,提升了充電電池的電化學性能。此外,有機材料塗層的厚度可被簡單控制,而且他們能夠極大地提升有機電極的電流密度。
價值
新開發的電極可以取代金屬基集電器,這使得開發輕質且柔性的充電電池變得可能。這種電池以後可應用于可穿戴電子設備、柔性設備、通信以及新一代電動車。
圖片展示了整體式有機電極的柔性。(圖片來源:Soojin Park/浦項科技大學)
這項研究的領導者 Soojin Park 教授評論道:“我們通過采用這款用 SWCNT 有機材料新開發的整體式電極,極大地減輕了充電電池的重量。這樣就可以突破傳統充電電池的極限,實現有機電池的柔性化和輕量化。”
術語
1)集電器
它在釋放電能中扮演重要角色,将兩個闆上的化學材料産生的電能與電路連接起來。
2)酰亞胺基網絡
它是一種有機材料,具有活性電化學和高分子物質組成的三維結構。
關鍵字
電池、有機材料、柔性電子、可穿戴設備
參考資料
【1】Jaegeon Ryu, Byeongho Park, Jieun Kang, Dongki Hong, Sung-Dae Kim, Jung-Keun Yoo, Jin Woo Yi, Soojin Park, Youngseok Oh. Three-Dimensional Monolithic Organic Battery Electrodes. ACS Nano, 2019; DOI: 10.1021/acsnano.9b07807
【2】http://postech.ac.kr/eng/how-light-a-foldable-and-long-lasting-battery-can-be/?pageds=1&k=&c=
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