北理工《AFM》更小更強大！首次報導新型柔性雙離子微型電池

2020-08-16 材料material

導讀：本文首次展示了柔性雙離子微型電池。該電池具有極高靈活性和良好的電化學特性，可以通過不同方式串並聯，並可集成為高壓微器件。這種特殊的新型電池可以被應用在LED燈、電致變色玻璃等眾多領域。可以預見微型電池將成為未來儲能器件發展的一個重要趨勢。


儲能器件的微型化一直是電子設備製造過程中的重要問題，但是傳統的微型電池往往電化學性能較差，不能滿足人們對其的日益嚴苛的需求。因此，研發具有良好電化學性能的新一代微型電池具有極其重要的意義。


近日，北京理工大學的曲良體教授團隊通過雷射直寫技術，首次報導了一種柔性雙離子微型電池。該電池具有極佳的容量和穩定性，並且可以靈活應用於多種領域內。相關論文以題為「The First Flexible Dual-Ion Microbattery Demonstrates Superior Capacity and Ultrahigh Energy Density: Small and Powerful」 在Advance Function Materials上發表。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002086


隨著電子設備的更新和小型化發展，更小的集成的儲能設備逐漸成為電子產品中不可或缺的一個元件。而近幾年廣大學者們更是不遺餘力的整合集成各種能源設備（超級電容、鋰離子電池、薄膜電池等）。但是即使是目前應用最為廣泛的鋰電池，能量密度，循環壽命等指標依舊不能令人滿意，嚴重的阻礙了可穿戴電子設備的發展和應用。因此，急需研發一種低成本、高能量密度、長壽命的微型電池。

本文中，作者針對以上問題，利用雷射直寫技術，首次製備了柔性雙離子微型電池（DIMB）。該電池是以石墨作為電極，六氟磷酸鋰作為電解液。DIMB不但具有極好的靈活性，可以任意的串並聯和彎折，還表現出了極佳的電化學性能。DIMB具有56.5 mA h cm-3的超高可逆容量，並且即使在高電壓環境下循環300次後依舊可以保留初始容量的90%以上。作者還利用所製備的單個DIMB成功為多種顏色的LED燈泡和電致變色眼鏡供電，表明DIMB電池具有良好的電勢差和極高的能量密度，證明DIMB在多個領域內的強大的應用潛力。此外，DIMB電池還可以組成高壓微器件，電壓能達到100V以上。

總結來說，作者首次提出並製備了一種新型的工作電壓在3~5V的 「更小更強大的」集成微型電池。該電池的製備方法簡單、成本低廉，但卻擁有極佳的靈活性。超高能量密度和良好的循環穩定性，在不同的工作環境下依舊可以為相應的設備進行供電。而且集成的DIMB電池即使100V的高壓下依舊可以提供非常高的放電比容量。這一新型微型電池展現了強大的應用潛力，將成為未來微型設備和可穿戴設備上儲能器件的有力競爭者。（文：Today）


圖1 (a) DIMB的製備過程示意圖；(b)-(g) 單個和集成的DIMB電池的照片。

圖2 (a) DIMB的充放電示意圖；(b) DIMB的非原位拉曼測試結果；(c) DIMB的非原位XRD測試結果；(d)-(e) DIMB在初始狀態和充滿電下的負極和正極XPS測試C 2p光譜；(f) DIMB的石墨初始HRTEM照片；(g) DIMB充滿電後負極石墨的HRTEM照片；(h) DIMB充滿電後正極石墨的HRTEM照片；


圖3 VOPO4-石墨烯在鉀離子電池中的原位XRD測試分析和DFT計算分析。


圖4 (a)-(b) DIMB在不同彎折角度下的充放電曲線體積比容量。(c)-(f) DIMB為LED燈、小遊戲機和電致變色眼鏡供電的照片。


圖5 (a)-(b)集成的串聯、並聯DIMB的示意圖；(a)-(b) 1~3個DIMB串聯、並聯的充放電曲線圖；(e) 20個DIMB串聯照片；(f) 20 個串聯的DIMB的充放電曲線圖和dQ/dV vs V曲線。


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