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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