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高柔性、高安全性、可“呼吸”的水系锂离子电池

近年来,移动设备的需求量呈爆发式增长,特别是智能可穿戴设备,给人们的生活带来了翻天覆地的变化。超级电容器、电池等储能装置作为其中不可或缺的一部分面临着不小的挑战。一方面,受限于传统的组装和封装方式,一般的商业化储能装置都缺乏柔性、不可弯曲,难以满足可穿戴设备的需要。另一方面,可穿戴设备对安全性和舒适性提出了更高的要求,而传统锂离子电池的电解液有毒、易燃,存在着不小的安全隐患。相比之下,水系锂电池利用锂盐的水溶液作为电解液,不仅成本低、离子导电率高,而且安全无毒,完全避免了传统锂电池易燃易爆的风险,不失为一个更佳的选择。


钒酸锂(LiV3O8)作为一种低成本的锂电池负极材料,在水电解液中的稳定性一直制约着其广泛应用。近日,香港城市大学材料科学与工程学院支春义点击查看介绍课题组与深圳大学材料学院的助理教授黄扬点击查看介绍合作,通过聚吡咯(PPy)包覆的方法大幅度提高了钒酸锂(LiV3O8)作为负极在水电解液中的稳定性。研究发现,PPy包覆层能有效抑制LiV3O8 在充放电过程中过渡反应物的溶解,并大幅度降低其电荷转移电阻。搭配稳定的锰酸锂(LiMn2O4)正极,选取柔性的碳布作为集流体,并使用准固态的PVA/LiNO3 凝胶电解质,该研究团队成功制备出高柔性、高安全性的水系锂电池。


该水系锂电池在0.5 A•g-1的电流密度下循环充放电100次和500次,容量保持率分别达到了98.7%和79.8%,相比以往文献报道的基于金属钒氧化物负极的水系锂电池有了大幅度提升。同时,得益于柔性的碳布和凝胶电解质,该电池表现出超高的柔韧性,在经历各种形变、弯折、扭曲后仍能保持稳定的电化学性能。再加上水系锂电池的高安全性,该电池可裁剪成任意形状,甚至在一分为二以后,两个部分还能独立地工作。通过在电池本体造孔,该电池具备优异的透气性,成为可“呼吸”的电池,更好地满足穿戴舒适性的要求,为未来智能可穿戴电子设备储能装置的发展提供了一种有潜力的设计策略。


相关工作发表在Nano Energy 上,文章的第一作者是香港城市大学材料科学与工程学院的博士生刘卓鑫,共同通讯作者为香港城市大学材料科学与工程学院的支春义和深圳大学材料学院的黄扬


该论文作者为:Zhuoxin Liu, Hongfei Li, Minshen Zhu, Yan Huang, Zijie Tang, Zengxia Pei, Zifeng Wang, Zhicong Shi, Jun Liu, Yang Huang and Chunyi Zhi

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Towards wearable electronic devices: A quasi-solid-state aqueous lithium-ion battery with outstanding stability, flexibility, safety and breathability

Nano Energy, 2018, 44, 164, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.006


导师介绍

支春义

http://www.x-mol.com/university/faculty/35062

黄扬

http://www.x-mol.com/university/faculty/46824


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