柔性3D鋰離子電池

對於日益增長的柔性電子設備，如可攜式設備，皮膚傳感器，以及可穿戴設備，必須發展與之匹配的柔性儲能系統作為動力源。 在不同類型的儲能系統中，鋰離子電池（LIB）由於其高能量和長期循環性能而被廣泛研究為理想的柔性儲能介質。然而，為了滿足對多功能需求，需要設計具有高能量，高機械強度，以及工業電極製造條件下高的鋰離子電池。許多研究者提出了電極材料和單元結構的修飾。例如，摻雜等方式。
此外，在現有工業電極條件下，製備高活性材料負載的柔性電池尚未證實商業可行性。最近，有研究表明利用現有工藝方案製備的柔性鋰電池在連續測試過程中會明顯失效。拉伸/壓縮試驗期間，觀察到活性材料從集電器分層，增加了電極的接觸電阻。特別是，接觸電阻引起整個陽極表面的金屬鋰沉積，強烈威脅電池的安全性。因此，通過以下常規製造工藝增強電池組件之間的粘附性對於工業可行性是重要的。改善粘合性能的簡單方法之一是電極圖案化工藝。圖案化的一般策略是通過光刻法 或衝壓工藝修飾集流體。圖案化的集流體增加了與活性材料的接觸面積，這進一步增強了電池組件的粘附力。然而，當將預製圖案化的金屬箔集電器引入製造過程時，由於表面粗糙度，難以控制電極負載水平和負載密度。因此，最近在電極塗覆工藝之後提出了後圖案化工藝，其顯著減輕了外部載荷下的應力集中。該方法在簡單的製造工藝方面具有商業潛力，然而，圖案化的陰極和陽極都可能在電池組裝過程中引起電極接觸不匹配。而且，該工藝可能增加製造時間和成本，因為陰極和陽極應分別被圖案化。
因此，蔚山科學技術大學校的研究者設計了相反圖案化的3D互鎖電極配置，通過簡單的步驟保持剛性結構。先前的研究已經表明3D互鎖結構具有高機械強度，但尚未應用於LIB的電極水平。通過開發了一種3D互鎖鋰離子電池，通過在傳統LIB配置中的額外一步式圖案化工藝來增強電極的機械強度。相比於傳統圖案化方案，互鎖單元電極測試沒有產生任何結構變形。製備的電池在機械應力和工業電極製造條件下的循環性能下表現出改善的電壓穩定性。
同時，實驗結果表明，緊密連接的電池構型可以減輕脫層和金屬鋰沉積，可滿足在安全標準的高水平柔性鋰電池需求。此外，3D聯鎖電池的性能比得上優於傳統柔性電池結構。

圖1 3D互鎖結構的柔性鋰電池製備過程和結構示意圖三維互鎖全細胞和細胞成分的微結構。a）3D互鎖全電池的製備過程示意圖；b）3D圖案化電極和隔膜的照片；c-e）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像的表面形態；f）3D互鎖全電池的圖示，顯示電池的詳細特徵組件。

互鎖電池的3D圖案化電極顯著改善了電極材料之間的粘附性。更重要的是，緊密連接和組裝的結構可以在機械應力下保持原始結構。通常，傳統的LIB由堆疊的電極和隔板組成，每個部件具有不同的機械強度; 因此，當電池變形時，可能發生負電極和正電極之間的接觸面積的損失。然而獨特的電池配置可以防止這樣的問題，因為陰極和陽極彼此保持高結構完整性。此外，電極上的互鎖網格圖案可以有效地分布應力並減輕變形期間電極的滑動。改善的機械強度可以產生優異的電化學性能。

圖2. 電化學測試和機械性能測試。：a，b）正常結構的全電池和3D互鎖全電池的在彎曲過程中的降解機制示意圖；c）1C的充放電速率進行200個循環的長期循環測試，以及它們的d）充放電壓曲線；e）彎曲半徑為25mm的彎曲測試照片。f）正常結構的全電池和3D互鎖全電池在每20次充放電後下進行2000次彎曲的循環壽命曲線。

參考文獻：Flexible 3D Interlocking Lithium-IonBatteries，Adv. Energy Mater. 2018, 1801917
來源：柔性電子服務平臺