朱東華

摘要：近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)我國科技水平的提升。社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步使可穿戴電子產(chǎn)品日益多樣化、復(fù)雜化，且正逐步走向柔性化、輕量化和輕薄化。柔性化可穿戴電子產(chǎn)品在智能服裝、醫(yī)療健康等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，作為其核心部件的電池成為研究的熱點(diǎn)。為了既能夠滿足續(xù)航要求，又可以在彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)甚至拉伸等復(fù)雜形變條件下正常工作，或者滿足可編織性、適應(yīng)性等的使用需求，高比能柔性鏗電池的開發(fā)成為重要的研究方向。本文就鋰電池柔性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展展開探討。

關(guān)鍵詞：柔性鏗電池;柔性化結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

引言

隨著電動(dòng)車的研發(fā)與推廣，動(dòng)力電池應(yīng)用得到快速發(fā)展。鋰電池具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用相對(duì)安全和較長(zhǎng)的壽命周期，在很多動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域得到了使用。對(duì)于純電動(dòng)車和混合動(dòng)力電動(dòng)車而言，溫度是影響鋰電池性能和壽命的至關(guān)重要的因素。鋰電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量，對(duì)鋰電池的安全造成潛在危險(xiǎn)。溫度過高不僅會(huì)降低電池的性能和壽命，還有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。當(dāng)電池溫度超過安全范圍，鋰電池內(nèi)部可能發(fā)生熱失控。

1柔性鋰離子電池

柔性鋰離子電池和傳統(tǒng)鋰電池的組成對(duì)比，如表1所示

PVDF：聚偏二氟乙烯;PTFE：聚四氟乙烯;PVA：聚乙烯醇;CMC：羧甲基纖維素;SBR：苯乙烯丁二烯橡膠;PP：聚丙烯;PE：聚乙烯;PA：聚酰胺;PVC：聚氯乙烯。

柔性電極一般是將功能性的有機(jī)和無機(jī)材料構(gòu)建在導(dǎo)電薄膜上，不需要粘合劑和導(dǎo)電劑。粘合劑的去除使電池的電極制備的工藝簡(jiǎn)化;提高了柔性電極的導(dǎo)電;提高鋰離子電池的適用溫度達(dá)到200℃以上。

2三明治結(jié)構(gòu)超薄電池

從整體結(jié)構(gòu)上對(duì)電池進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電極和隔膜通過層層堆疊方式制備成三明治結(jié)構(gòu)超薄電池，與傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)的差別較小，是研究較早的一種典型柔性電池結(jié)構(gòu)。用水熱法在柔軟欽箔表面生長(zhǎng)一維Li4Ti5012（LTO）納米線，制備三維網(wǎng)狀自支撐柔性LTO負(fù)極。用LiMn204（LMO）納米棒制備的三維網(wǎng)狀自支撐LMO為正極，組裝的LTO/LMO全電池開路電壓為2.4V，電流密度為2C時(shí)，首圈比容量為163mAh/g，循環(huán)70圈后的比容量為168mAh/go三明治結(jié)構(gòu)電池可以制備成更加輕薄化的薄膜結(jié)構(gòu)，即薄膜電池，柔性薄膜結(jié)構(gòu)全固態(tài)電池具有極強(qiáng)的柔韌性和較高的能量密度。用Ni基合金作正極集流體，用磁控濺射法濺射鉆酸鏗（LCO）正極，正極上沉積LiPON電解質(zhì)，然后，用熱蒸發(fā)法沉積金屬鏗負(fù)極，外層包覆絕緣封裝層，最后，上下表層都用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝：電流密度為46.5uA/cm2（0.5C）時(shí)，能量密度為2.2x103uWh/cm3。利用火焰噴霧熱解技術(shù)，以涂覆導(dǎo)電銅的柔性聚酞亞胺為基底，采用顆粒大小為6nm的LTO作活性物質(zhì)，制備了LTO厚度為0.55N.，m的LTO/LiPON/Li固態(tài)薄膜電池。電池在2uA（1C）下以平鋪、彎折、平鋪的形態(tài)充放電30次后，放電容量基本沒有衰減。薄膜結(jié)構(gòu)的電池設(shè)計(jì)可以滿足柔性電池輕量化、超薄化的需求，在電池能量密度的提升上還需要進(jìn)行深人的研究。

3自然對(duì)流的電池模塊的熱特性和電化學(xué)特性

C條件下，電池表面的最高溫度升高了從25.5?C，表面最大溫差可達(dá)10.2?C。5C條件下，電池表面的最高溫度升高了34.9?C，表面最大溫差可達(dá)13.2?C?？梢姺烹姳堵手苯佑绊戨姵乇砻鏈囟群捅砻鏈夭?。鋰電池的運(yùn)行溫度范圍一般為20～40?C，電池表面溫差應(yīng)低于5?C，較高放電倍率時(shí)，自然冷卻無法滿足電池運(yùn)行的要求。C條件下，電池表面的最高溫度升高了從25.5?C，表面最大溫差可達(dá)10.2?C。5C條件下，電池表面的最高溫度升高了34.9?C，表面最大溫差可達(dá)13.2?C。可見放電倍率直接影響電池表面溫度和表面溫差。鋰電池的運(yùn)行溫度范圍一般為20～40?C，電池表面溫差應(yīng)低于5?C，較高放電倍率時(shí)，自然冷卻無法滿足電池運(yùn)行的要求。

4透明結(jié)構(gòu)電池

透明或半透明柔性電子器件應(yīng)用廣闊，其所用的銼電池不僅需要超薄化，還需具備透明的特性。柔性透明鏗電池的組裝需要每個(gè)組件都兼具柔韌性和透明性，但是制備傳統(tǒng)電池的材料并非透明材料，在硅模板上制備PDMS網(wǎng)格化基底，并涂覆納米金作集流體，再采用微流體協(xié)同方法將準(zhǔn)備好的電極漿料填充在細(xì)密的網(wǎng)格中，制得網(wǎng)格狀透明電極。以網(wǎng)格狀LMO和LTQ分別為正、負(fù)極，PVDF基凝膠電解質(zhì)和聚氯乙烯（PVG）包裝制備的電池，透光率為60%時(shí)的能量密度為10WhL。電池能量隨串聯(lián)數(shù)量的增加呈線性增加的趨勢(shì)，但是電池?cái)?shù)量的增加并沒有影響透明度，此透明電池設(shè)計(jì)在柔性透明電子領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。Oukas-在玻璃基底上采用UV光刻蝕工藝制備了具有網(wǎng)格電極結(jié)構(gòu)的LCO/LiPONfSi柔性半透明薄膜固態(tài)銼離子電池，紫外可見光透過率高達(dá)60在3一4.2V電壓范圍內(nèi)，以C/2倍率進(jìn)行恒電流放電，容量為0.15mAh。研究表明：無論是有機(jī)物，還是無機(jī)物，都可以作基底制備網(wǎng)格狀電極的透明電池，但在進(jìn)行組裝時(shí)，電池的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之間要保證完全重合，否則透明度會(huì)下降，因此，在組裝新技術(shù)方面還需要進(jìn)一步探索。

5柔性電池研究前景展望

鋰離子電池柔性化面臨的問題主要來自三個(gè)方面。第一，隨著柔性電池和電容器的厚度降低，柔性電池和電容器的儲(chǔ)電量明顯降低，限制了柔性電池和電容器薄膜化的進(jìn)程;第二，柔性電池和電容器因?yàn)椴挥糜操|(zhì)封裝材料使得柔性電子材料容易被破壞，柔性電池與電容器的安全性得不到保證;第三，柔性電子材料的封裝材料達(dá)不到長(zhǎng)時(shí)間密封的要求進(jìn)而限制了柔性電子設(shè)備的使用時(shí)長(zhǎng)。

結(jié)語

隨著社會(huì)的快速發(fā)展、科技的不斷進(jìn)步及人們生活需求的多樣化，柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活必不可少的一部分，柔性鏗電池作為產(chǎn)品的核心部件有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間?；谌嵝曰蚍侨嵝圆牧蠈?duì)電池整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行柔性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得了一定的成果。

參考文獻(xiàn)

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