小编读文献:怎样给电池“减肥”,让泥蜂带它起飞?

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近期,Advanced Materials期刊发表了一篇关于微型电池文章。看到这篇文章被收录在机器人(robotics)专辑里,笔者以为这是篇电池与机器人结合的论文,电池性能应该不出众,疑惑为啥能发在AM上。结果刚读完标题就眼前一亮,随后越读越觉得这篇工作不一般,值得分享给大家!

本期小编读文献就带大家一起解读由美国常春藤名校宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)James H. Pikul教授课题组领衔发表的这篇AM文章。

小编读文献:怎样给电池“减肥”,让泥蜂带它起飞?

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标题的讲究

首先标题就很大气。其中的Paradigm这个词对应中文是“范式”,代表开创了一个全新方向或领域,表明这篇工作可作为参考。笔者自己写文章很少会去碰Paradigm这个词,毕竟含义太重了。作者们敢这么写到底是自吹自擂,还是确实有货?我们接着往下看。

标题这里再多说一句。这个标题虽大气,但绝不是“假大空”的“高端”。短短两行,就把报道的器件是什么(微型电池)、特点(质轻高能)、亮点(几乎无包装)全部放出来了。

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摘要的魅力

下面看文章摘要:

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典型而标准的三段式写法:解决了什么问题——具体如何解决及效果——展望

我们分部分来看。

第一部分就一句话,但很长,讨论了现代电子设备尺寸越来越小,但对电池能量的需求却越来越高(意味着电池需要越来越大)。这两者的矛盾缓和需要以电池小而轻来解决。但电池做小做轻不利于提高电池能量。

电子器件的电池重量要减,能量却得增。这是一对矛盾。

这对矛盾在电池领域算是一个老生常谈的问题了。相关文章开局的写法大都从电子器件的可穿戴性需要质轻电池这一点来入手。但本文作者们独辟蹊径,以一对矛盾开场,有些升华到哲学层面了。

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这里要提醒一句,英文掌控能力不强的话尽量少写长句。像文中这种四行长句用不好很容易混乱逻辑与结构,得不偿失。能写短句就写短句,简洁、明了、清晰。

从第二句到最后一句都是直击本文内容的,切入很快。

一开头先用一句话指出,解决的矛盾的方法——去掉电池包装(“减肥”)、使用高能量电极材料(增能)。不仅过渡自然,同时又指出了文章的核心新颖性——追求轻质电池不一定要研发轻质电极材料,去掉包装材料可好?

这之后都是具体陈述文章报道的微电池的性能。笔者指出一点值得学习的写作技巧——以具体数字佐证描述

摘要中高亮了两个词,轻与小。具体多轻,到底多小?后面紧跟的数据说明了一切。最后一句话中的“四倍”也是具体数字,用来突出电池的性能。

作者们没有宣称自己的器件性能多么“突破天际”,而是把数据摆在读者面前,牛不牛读者自己心里有数。这种行文风格谦虚但不卑微,低调但非无力!

摘要的最后一句话的后半部分是一个简短展望。注意unpowerable这种单个形容词的应用。简短的形容词能让句子变得非常简洁,四两拨千斤!

总的来说,笔者认为作者对本文的标题与摘要都是花了大心思去琢磨、打磨的,值得我们揣摩。

摘要告诉我们,这篇工作的亮点主要有在于重量轻与能量高。下面我们就分别看看作者们都是如何实现这两点的。

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减肥的奥秘

包装带来的重量一直是能量存储器件的一个痛点。电池也好,超级电容器也罢,一多半的重量都是由不能储能的包装带来的。静态储能应用(如大规模电网储电)对于重量可能不甚敏感,但便携式电子器件对重量要求则非常苛刻。

悲剧的是,当今储能器件的活性质量占器件总质量基本不到一半,甚至仅有10%-20%。所以,现在能看到的电池、超级电容器文献报道的容量数值绝大部分都只考虑电极活性质量,而不计算包装的质量。

但包装又难以完全去掉,毕竟漏液、自燃等安全问题不是小事。

这篇工作就直击这个难点,偏要拿掉包装材料。

没有包装的电池是什么构造呢?图1给出了清晰的展示: 

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1. “无包装”电池的尺寸与结构。第一幅图中展示了电池的主要部分:a – LCO(LiCo2O)/铝箔正极;b – 附载陶瓷颗粒的Celgard隔膜;c – 防水隔气的气垫圈;d – 铜箔负极。图源:Adv. Mater.

从图中可以看出,电池“减肥”的奥秘在于如何在没有额外的密封材料条件下将电解液密封在电池内部。

1)双面密封:让两电极的集流体(铜箔和铝箔)承担起密封的角色。

2)两侧密封:使用课题组先前报道的防水、隔气的气垫圈。笔者查到这种材料的成分是硫化高分子树脂,MTI公司有售,商品编号为PLIB-HMA30

还有一点细心的读者应该也看到了,这个电池是无负极的。负极的金属锂全部由正极LCO提供。这就进一步拉低了电池的质量(文章也展示了含有锂金属负极的电池)。

没有包装材料的电池重量仅5080 mg左右,面积1×1 cm2厚度约200400 µm。

轻巧的电池连螳螂都能携带着正常行走,蒲公英都能托举(图2)。

小编读文献:怎样给电池“减肥”,让泥蜂带它起飞?图2. 轻质电池与动植物。图源:Adv. Mater.

更炫的是,作者们干脆把这电池挂在一只泥蜂身上,平地起飞(图2c及视频)。

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高能的玄机

质量轻也要能量高才有实际用处。为提升电池能量,作者们用了什么招呢?

传统方法——增大电极活性材料的量。

外包装的移除已给电池省下很多重量了,把省下的重量的一小部分拿给电极材料不亏。但问题是小面积+大载量=厚度大。厚度大又会额外带来离子传输和电子输运的阻力。如何减小阻力?

作者们采用了Xerion Advanced Battery公司研发的一种熔融盐电镀法来制备LCO材料。

这种电镀出的LCO材料虽然载量高(36-62 mg/cm2)、厚度大,但富有裂纹(图3a-c),且微观来看LCO晶格的层间空隙几乎都垂直于基底,向离子敞开的。此外,因为材料是直接电镀在铝箔基底上的,所以粘合剂、导电剂都不用了,减重!

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图3. 熔融盐法电镀的LCO电极形貌与离子扩散系数。图源:Adv. Mater.

因此,相比于传统浆液涂抹出的无规排列LCO电极,Li+在熔融盐电镀出的LCO电极中传输距离更短,传输更快(图3d)。

电池质量比能量密度达到430 Wh/kg,体积比能量密度1050 Wh/L,是相似规格电池的四倍。并且这些数据不是基于电极活性质量或体积,而是整个器件的质量或体积。

可能作者们觉得跟文献比还不过瘾,他们把自己的电池拿去和各种商业化电池进行了对比,以突出质轻、高能的特点(图4)。

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图4. 各种电池的体积比能量密度与电池器件的体积和重量。图源:Adv. Mater.

但是,由于商业化电池的用途各异、设计规格也不同,把轻量电池与它们相比较可能并不合适。有何关系呢?这组数据为新闻报道提供了优良的素材,估计也能吸引电池工业界的目光。

还有高明的一手!作者们把图中所有具体数据都汇总在SI里的一张表格中了。你想想,这篇文章一出来,多少做电池的伙伴们可以参考这些数据,以后也用来比一比呢?这文章仿佛一本参考书,大家都来查询数据。担当起了Paradigm的领袖气质,又何愁文章阅读量不高、引用不多呢?

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事了拂衣去,深藏功与名!

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最后说一下James Pikul课题组。这个课题组致力于智能化机器人的研发,而轻巧的电池正是机器人灵活运动的保障之一。Pikul课题组做轻量电池是有长期积淀与丰富经验的。

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文献链接

文章解读挂一漏万,对本工作感兴趣的读者可移步原文(可免费下载全文):

Xiujun Yue et al. A Nearly Packaging-Free Design Paradigm for Light, Powerful and Energy-Dense Primary Microbatteries. Advanced Materials, 2021, DOI: 10.1002/adma.202101760

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202101760

 

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