織物複合電極在柔性電化學儲能器件中的機遇與挑戰

2020-12-05 學研天地

文章背景

柔性、高能量密度電化學儲能器件對驅動可攜式、可穿戴電子至關重要。然而，商業化的鋰離子電池和超級電容器多採用疊層的電極結構，並使用剛性的金屬箔作為集流體，這嚴重地影響了器件的柔韌性。與這類傳統電極相比，將電極材料塗覆在織物基底製備織物複合電極可以極大程度上提高電化學儲能器件的柔性與電化學性能。究其原因，織物兼具良好的柔韌性、輕重量、大比表面積、材料和結構多樣性、廉價等特性。除此之外，織物基電化學儲能器件也展現出優良的透氣性、透水性、以及穿著舒適性。因而，其在柔性、可穿戴電子領域中具有廣闊的應用前景。

成果簡介

鑑於此，香港理工大學鄭子劍教授團隊針對近期織物複合電極在柔性電化學儲能器件中的應用與發展進行了綜述和展望。作者從電極結構、製備方法、機械性能、以及電化學性能等方面將織物複合電極與傳統電極進行比較，同時概述了織物基電化學儲能器件的結構及其在柔性、可穿戴電子系統中的集成方法。最後，作者闡明了織物複合電極當前面臨的技術挑戰，並指明了織物基電化學儲能器件未來研究與發展方向。該綜述以「Textile composite electrodes for flexible batteries and supercapacitors: opportunities and challenges」為題發表在國際材料頂級期刊 Advanced Energy Materials上，同時入選Wiley-VCH資料庫「Hot Topic: Batteries and Supercapacitors」，「Hot Topic: Flexible Electronics」兩項熱點主題論文。單位名稱香港理工大學，高源博士為第一作者，鄭子劍教授為通訊作者。

圖文導讀

一. 織物複合電極與傳統電極的對比

在製備方法與電極結構上，傳統電極通常採用「卷到卷「的製備方法將電極材料塗覆在金屬箔集流體上。由於該方法難以實現厚電極的製備，商業化的電化學儲能器件（鋰離子電池，超級電容器）經常採用疊層的電極結構以獲得足夠高的面容量。相比而言，織物複合電極可以通過諸如電極漿料蘸塗、原位生長、以及紡紗等多重手段製備。織物的多孔結構、大比表面積使其相較金屬箔易於承載更多的電極材料。因此，單層的織物複合電極足以獲得媲美甚至高於疊層電極的面容量 （圖1a–f）。

圖1.織物複合電極與傳統金屬箔電極的結構 (a, c)、製備方法 (b, d, e, f)、機械性能 (g, h)、以及電化學性能 (i, j) 的對比。

（來源：Advanced Energy Materials）

在機械性能上，由於金屬箔的較低屈服強度，以及電極材料與集流體之間較差的界面粘附力，傳統電極在歷經多次彎折後會導致集流體斷裂、電極材料脫落等問題。相較而言，織物複合電極具有優良的彎曲穩定性，這是因為織物基底比金屬箔有著更低的楊氏模量。柔軟的織物基底可以通過調節中性平面的位置從而有效地緩解因彎曲電極而產生的應力。與此同時，通過調控織物的孔徑，電極材料可以牢固的錨定在織物基底上（圖1g和h）。

在電化學性能上，織物複合電極相較傳統電極表現出更高的倍率性能以及更好的循環穩定性。一方面，織物基底的多孔結構為電解質離子提供了快速運輸通道；另一方面，電極材料與織物集流體較大的電學接觸面積不僅可以降低電極的局部電流密度，同時促進了電子的移動（圖1i和j）。

二、織物基電化學儲能器件的結構及其在柔性、可穿戴電子中的集成方法

織物基電化學儲能器件結構包括：軟包袋裝電池、纖維狀電池。前者擁有更為成熟的製備方法與流程；後者則具有更好的柔性、透氣性、透水性、以及穿著舒適性（圖2a–d）。

將不同結構的織物基電化學儲能器件集成到柔性、可穿戴電子系統（智能織物）中可分為如下三種方法：i）外部擴展式軟包袋裝電池；ii）內部嵌入式纖維狀電池；iii）紗線電極直接集成法 （圖2e–j）。

圖2.織物基電化學儲能器件的結構及其在柔性、可穿戴電子（智能織物）中的集成方法。

（來源：Advanced Energy Materials）

三、 織物複合電極面臨的挑戰以及未來發展方向

儘管織物複合電極兼具優異的柔性、倍率性、以及循環穩定性，但其商用仍面臨諸多技術挑戰。其一，與金屬箔相比，織物集流體的電導率通常較低，這無疑會增加織物複合電極的歐姆損耗。其二，部分織物複合電極的機械強度較差，這極大程度上限制了織物基電化學儲能器件的規模化製備及其在柔性、可穿戴電子系統中的集成（例如紗線狀電極較難利用傳統紡織技術大規模集成到智能織物中）。其三，織物基底中未被填充的孔洞不可避免地增加了複合電極中非活性部分佔比，降低了電極材料的振實密度，進而導致織物基電化學儲能器件的低能量密度。綜上所述，如何提高織物複合電極的電導率、機械強度、以及進一步提高織物基電化學儲能器件的能量密度將會是未來的研究與發展方向。

文獻連結：

Yuan Gao, Chuan Xie, and Zijian Zheng*, 「Textile composite electrodes for flexible batteries and supercapacitors: Opportunities and Challenges」, Adv. Energy Mater., 2020, 2002838, DOI: 10.1002/aenm.202002838

團隊介紹

本文第一作者：高源

高源博士: 華中科技大學本科、香港科技大學博士、香港理工大學博士後。研究領域包括柔性電化學儲能器件（電容器、鋰電池、鋁電池）及其在柔性、可穿戴電子中的應用。

本文通訊作者：鄭子劍教授

鄭子劍教授：清華大學本科、英國劍橋大學博士、美國西北大學博士後。現任香港理工大學紡織及服裝學系教授，2018年當選香港青年科學院創始院士。長期致力於表、界面科學，納米製備，以及柔性可穿戴電子領域的相關研究。先後斬獲日內瓦國際技術發明獎銀獎（2015年）、金獎（2019年）。以第一作者、通訊作者在Science, Nat. Comm., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Mater. Today, Chem. Soc. Rev., Chem. Rev., 等諸多國際頂級科學刊物上發表論文超過100篇，申請國際及國內專利共18項。

相關工作

1. Yuan Gao, Qianyi Guo, Qiang Zhang, Yi Cui, and Zijian Zheng*, 「Fibrous Materials for Flexible Li-S Battery」, Adv. Energy Mater. 2020, 2002580. DOI: 10.1002/aenm.202002580

2. Jian Chang, Qiyao Huang, and Zijian Zheng*, 「A Figure of Merit for Flexible Battery」, Joule 2020, 4, 1346–1349.

3. Qiyao Huang, Dongrui Wang, Hong Hu, Jian Shang, Jian Chang, Chuan Xie, Yu Yang, Xavier Lepró, Ray H. Baughman, and Zijian Zheng*, 「Additive Functionalization and Embroidery for Manufacturing Wearable and Washable Textile Supercapacitors」, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910541.

4. Chunlei Jiang, Lei Xiang, Shijie Miao, Lei Shi, Donghao Xie, Jiaxiao Yan, Zijian Zheng*, Xiaoming Zhang, and Yongbing Tang*, 「Flexible Interface Design for Stress Regulation of a Silicon Anode toward Highly Stable Dual-Ion Batteries」, Adv. Mater. 2020, 32, 1908470.

5. Yujing Zhu, Mei Yang, Qiyao Huang, Dongrui Wang, Ranbo Yu*, Jiangyan Wang, Zijian Zheng*, and Dan Wang*, 「V2O5 Textile Cathodes with High Capacity and Stability for Flexible Lithium-Ion Batteries」, Adv. Mater. 2020, 32, 1906205.

6. Jian Shang, Qiyao Huang, Lei Wang, Yu Yang, Peng Li, and Zijian Zheng*, 「Soft Hybrid Scaffold (SHS) Strategy for Realization of Ultrahigh Energy Density of Wearable Aqueous Supercapacitors」, Adv. Mater. 2019, 32, 1907088.

7. Jian Chang, Jian Shang, Yongming Sun, Luis K. Ono, Dongrui Wang, Zhijun Ma, Qiyao Huang, Dongdong Chen, Guoqiang Liu, Yi Cui, Yabing Qi, and Zijian Zheng*, 「Flexible and stable high-energy lithium-sulfur full batteries with only 100% oversized lithium」, Nat. Comm. 2018, 9, 4480.

8. Yu Yang, Qiyao Huang, Liyong Niu, Dongrui Wang, Casey Yan, Yiyi She, and Zijian Zheng*, 「Waterproof, Ultrahigh Areal-Capacitance, Wearable Supercapacitor Fabrics」, Adv. Mater. 2017, 29, 1606679.

9. Qiyao Huang, Dongrui Wang, and Zijian Zheng*, 「Textile-Based Electrochemical Energy Storage Devices」, Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600783.

10. Libin Liu, You Yu, Casey Yan, Kan Li, and Zijian Zheng*, 「Wearable energy-dense and power-dense supercapacitor yarns enabled by scalable graphene–metallic textile composite electrodes」, Nat. Comm. 2015, 6, 7260.

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