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可工业化制造高效纤维锂电池实现超10万次弯曲折叠

时间：2021-11-02 来源：浏览：

可工业化制造高效纤维锂电池实现超10万次弯曲折叠

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可穿戴电子设备的蓬勃发展对柔性电池提出了新的需求，柔性纤维电池便是良好的候选技术之一。然而，迄今为止获得的纤维电池长度只有几厘米，导致整个电池能量密度太低（<1 Wh/kg）；且如此短的纤维锂离子电池也无法实现实际应用，因为连接它们的附件会损害纤维的能量密度和稳定性。因此，探索制备高能量密度长纤维锂离子电池是本领域研究热点前沿。

上海复旦大学Huisheng Peng教授课题组牵头的联合研究团队设计制备了可以利用成熟商业化制造工艺制备的钴酸锂/石墨纤维锂离子电池，长度达到了米级，获得了85.69 Wh/kg的能量密度，500余次循环后仍可保持90%以上的初始容量，且经过10万次弯曲后依旧可以保持超过80%的初始容量，展现出了良好的长程稳定性、机械柔韧性和商业应用潜力。研究人员将锂钴氧化合物（LCO）涂覆在商用铝纤维上作为正极，将石墨涂覆在铜纤维上作为负极，随后与商业隔膜组装成完整的柔性纤维锂电池。为了对比研究，研究人员同时制造了不同长度（0.1 m、0.2 m、0.5 m和1 m）的纤维锂离子电池，并测量了其电化学性能。电化学阻抗谱测试结果显示，电池的内阻和纤维长度具有双曲余切函数关系，随着长度的增加，内阻首先下降，然后趋于平稳。电池比容量密度测试显示，电池在长度为1 m的时候达到最佳，获得了85.69 Wh/kg放电比容量，比传统实验室工艺制备的纤维锂电池能量密度高出2个数量级。由于单个纤维的能量密度还不足以为大型电子设备供电，研究人员利用工业化生产工艺制备了以上述纤维锂电池为单元的大面积织物（100根纤维电池构成），使得纤维锂离子电池纺织品具有足够的能量来为大型电子设备供电。在0.1C倍率下获得了超过160 mAh/g的比能量，且500余次循环后电池仍可保持90.5%初始比容量，库伦效率接近100%（99.8%），表现了良好的长程稳定性。作为纤维电池，一个关键的性能指标是抗弯曲拉伸能力，研究人员以1 cm的曲率半径对纤维织物电池进行了高达10万次的弯曲，结果显示电池经过上述弯曲实验后仍然保持了80%以上的初始比容量，表现出强劲的机械柔韧性，具备作为柔性可穿戴电子设备电源的良好潜能。进一步的技术经济性分析可知，该纤维电池每米成本不到0.05 美元，具有较强的经济竞争力。

图1 纤维锂电池连续制备过程

该项研究设计了一种纤维锂电池，并利用工业化生产工艺制备了纤维锂电池纺织品，在0.1C倍率下获得了超过160mAh/g的比能量，500余次充放电循环后电池仍可保持90.5%初始比容量，更为关键的是，经过高达10万次弯曲后仍然保持了80%以上的初始比容量，且单位长度的成本不到0.05美元，表现出了优异的长程稳定性、机械柔韧性和良好的商业应用潜力，为设计开发高性能长寿命低成本柔性电池指明了新路径。相关研究成果发表在《Nature》。

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