Angew. Chem. Int. Ed.热点 复旦大学:自愈合柔性水系锂离子电池


【引言】

随着智能可穿戴电子设备的飞速发展,出现了谷歌眼镜、智能衣服、智能手表等产品。但是,它们的电池往往是刚性块状的,不符合可穿戴设备质轻柔性的理念。近年来,柔性可穿戴储能器件的发展成为了研究热点,而柔性锂离子电池的研究对新一代储能器件的发展至关重要。然而在实际应用中,扭曲或偶然切断等情况下,柔性锂离子电池容易发生破裂,从而会导致电池的失效以及有毒电解液的泄露。这将会导致严重的安全问题。如何快速有效地解决这一问题仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日,复旦大学彭慧胜教授(通讯作者)和王永刚教授(共同通讯作者)的研究团队通过模仿生物体的伤口自愈合功能,设计并制备出了一种具有自愈合功能的柔性水系锂离子电池。该自愈合水系锂离子电池能够在切断后,经过简单的对接恢复其正常功能。

该自愈合电池采用取向碳纳米管薄膜包裹正负极活性物质,与自愈合高分子基底复合后作为自愈合电极,并使用一种新型的水系凝胶作为电解液和隔膜。组装后得到具有自愈合功能的水系锂离子电池。

由于取向碳纳米管、自愈合高分子和凝胶电解液的自愈合能力,该电池展现出了良好的自愈合性能。在重复切断、愈合过程之后,该电池仍能保持很好的容量、倍率性能以及循环稳定性。该新型自愈合电池具有优异的机械和电化学自愈合性能。由于使用的水系凝胶电解液安全无毒,该电池还具有很高的安全性。

该工作首次发展出了基于锂离子嵌入/脱出反应的自愈合储能器件,是自愈合储能器件领域的一个突破。该自愈合电池还具有良好的柔性,在未来的可穿戴设备中具有良好的应用前景。

成果以“A Self-Healing Aqueous Lithium-Ion Battery”为题,在线发表于近期Angew. Chem. Int. Ed.期刊上,并被选为“Hot Paper”。

【图文导读】

图1 自愈合电极的制备及结构表征

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a)自愈合电极的制备流程图;
b、c)三明治结构CNT/LiMn2O4/CNT正极在低倍和高倍下的扫描电镜照片;
d、e)三明治结构CNT/LiTi2(PO4)3/CNT负极在低倍和高倍下的扫描电镜照片。

图2 自愈合电极的电学和机械自愈合性能表征

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a-c)自愈合电极在切断前、切断后和愈合后的照片;
d-f)自愈合电极在切断前、切断后和愈合后的显微镜照片;
g)在10次切断-愈合循环中自愈合电极的电阻变化;
h)在一次完整的切断-愈合过程中自愈合电极的电阻变化;
i)自愈合电极在愈合前后的应力-应变曲线。

图3 自愈合水系锂离子电池的示意图及其自愈合性能表征

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a)自愈合水系锂离子电池切断-愈合过程的说明示意图;
b)自愈合水系锂离子电池的倍率性能;
c)在0.5 A/g的电流密度下,自愈合电池在愈合不同次数后的恒流充放电曲线;
d)自愈合电池在愈合5次后的倍率性能;
e)在0.5 A/g的电流密度下,自愈合电池在愈合不同次数后的长效循环性能。

图4 自愈合电池的柔性表征及应用展示

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a)自愈合水系锂离子电池在不同的弯曲角度下的恒流充放电曲线;
b)在60o的弯曲角度下,自愈合锂离子电池在不同的弯曲次数后的容量保持率;
c)将柔性自愈合水系锂离子电池戴在木偶手臂上给一个红色LED供电;
d)将电池切断后,红色LED熄灭;
e)经过简单的对接使电池愈合后,红色LED重新被点亮。

文献链接:Zhao, Y. et al. A self-healing aqueous lithium-ion battery(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201607951)

 

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