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高比能柔性固態锂離子電容器制備技術獲新進展

  

  隨著可穿戴智能設備在運動、醫療健康等領域的廣泛應用,發展與之相適應的柔性可彎曲電化學儲能器件成爲一項重要需求。但柔性儲能器件一般采用化學/物理沈積、組裝、微鈉加工等特殊工藝制備。這限制了材料的選擇和使用,導致柔性器件的比能量和力學柔性兩者難以兼得。此外,這些特殊工藝無法與當前商業化電池/超級電容器的生産過程相兼容,難以實現規模化制備。

  近日,電工研究所馬衍偉研究團隊在高性能柔性儲能器件制備技術方面取得新進展,通過從材料到器件的協同創新設計,開發出一種高比能柔性固態锂離子電容器的規模化制備技術。相關研究成果發表在材料學權威期刊Advanced Materials上。

  該研究采用自蔓延高溫合成方法,快速(秒級)、低能耗、宏量的制備出氮摻雜多級次碳。高氮含量(12%)和一維&二維複合的多級次結構,使得這種碳材料作爲锂電負極時展現出800 mAh/g的優異可逆比容量。經過進一步活化,氮雜多級次碳可以轉變爲富含介孔的氮雜碳正極。其高比表面積達到2356 m2/g,導電率高達15000 S/m,對锂的比電容爲115 mAh/g。基于合成的正、負極材料和聚合物凝膠電解質,制備了具有鋁塑殼封裝(Pouch-cell)的锂離子電容器。基于正、負電極材料的能量密度達到170 Wh/kg,並且具有優異的循環穩定性。

  鋁塑封裝的锂離子電容器是剛性器件,無法彎折。爲了實現柔性,研究開發出一種對輥壓印技術使得鋁塑封裝锂電容形成波浪狀結構。有限元仿真表明,波浪結構提供了器件彎折/伸縮的空間,可有效降低器件彎折時的應力。原位電化學測試表明,經過數千次彎折,波浪狀锂離子電容器的容量幾乎沒有衰減,展現了良好的柔性可彎曲性能。該技術實現了鋁塑電池/超級電容器的柔性化,並且與常規制備工藝兼容,提供了一種規模化制備柔性儲能器件的方法。

  該研究與國家納米科學中心魏志祥研究團隊合作完成。研究工作得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中科院大連潔淨能源研究院合作基金、中科院青年促進會的支持。

  論文鏈接

 

  材料合成與器件設計示意圖、制備的鋁塑锂離子電容器及其原位柔性測試

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