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全锰基无粘合剂柔性锂离子电池

全锰基无粘合剂柔性锂离子电池

新型人机交互技术的发展,加快了新兴能量存储装置的兴起,如可穿戴电子产品、综合供电网络、灵活的手术工具和显示装置等。所有这些电子器件不仅需要集成电路元件,而且还需要灵活的能量源。具有弯曲特性和拉伸特性的先进电极材料对于柔性可拉伸锂离子电池的快速发展至关重要。目前,柔性锂离子电池技术尚未完善,这是阻止可拉伸电源发展的最大挑战之一。美国特拉华大学魏秉庆教授设计了一种全锰基无粘结剂可拉伸锂离子电池,首次证明了全锰基无粘结剂锂离子电池具有优异的电化学性能和极佳的拉伸性能。该成果于2017年发表在 Advanced Energy Materials (IF=15.230)上。

全锰基无粘合剂柔性锂离子电池

图1. a)LMO/CNT复合材料的SEM图像,其中显示了横截面的铣削梯形沟槽。b)(a)中标记的区域的放大SEM图像。c)LMO/CNT薄膜复合材料的横截面图,d)LMO/CNT横截面图的放大图。

 

作者通过低温水热法,在3D碳纳米管(CNT)网中原位生长出LiMn2O4(LMO)纳米晶体(记为LMO/CNT)。LMO活性材料和CNT支架之间通过化学键结合。当LMO/CNT与起皱的MnOx/CNT薄膜负极相结合时,组装成不含粘结剂的全锰基可拉伸全电池,表现出极好的电化学性能。其提供97mAh/g的平均比容量,并且在超过300个循环后依然保持稳定。更重要的是,当拉伸应变高达100%时,循环150次后仍表现出良好的稳定性,即在300次循环后的容量保持率为88%,并且从第10周循环以后库仑效率接近100%

全锰基无粘合剂柔性锂离子电池

图2. a)起皱MnOx/CNT和LMO/CNT膜的电阻与拉伸应变的关系。b)MnOx/CNT和LMO/CNT膜不同循环周次的阻抗。c)100%应变前后的充放电曲线,d)全电池的循环性能。

 

这种全锰基无粘结剂可拉伸锂离子电池优异的电化学和机械性能可归因于以下几个方面:

  • 正负极中的CNT支架有助于保持全电池的机械完整性,并且具有高导电性和可调节的机械稳定性

  • 即使没有粘合剂,CNT与活性材料之间原位形成的化学键也有助于电荷转移,并能承受拉伸时的应变。

 

Taoli Gu, Zeyuan Cao, and Bingqing Wei; All-Manganese-BasedBinder-Free Stretchable Lithium-Ion Batteries; Advanced Energy Materials(2017);DOI: 10.1002/aenm.201700369


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