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美国研发纸基锂电池 折叠后单位能量密度增14倍

发布日期: 2013-12-23

发布日期:2013-12-22 16:38 来源:北方网

纸基锂离子电池折叠后单位能量密度增加14倍

据世界科技新闻资讯网站Phys.org报道,美国科学家最近研究发现,通过将纸基锂离子电池进行Miura-ori式折叠,它们的单位面积能量密度和容量将增加14倍之多。

在最近一期《纳米通讯》(Nano Letters)上,美国亚利桑那州立大学科学家钱程(Qian Cheng)及其他研究人员共同发表了一篇论文,介绍了他们在折叠纸基锂离子电池领域的这一最新研究成果。

“折叠式电池对供电板空间有限的设备可能很有帮助。”美国亚利桑那州立大学材料科学与工程学院的助理教授、论文共同作者坎迪斯·陈(Candace Chan)表示。此外,其他研究小组在可折叠纸基电子器件方面的最新研究成果表明,要将动力源和其他组件集成到一个单一、完全可折叠的移动设备中,一个可折叠的电池组是很重要的。

在目前的研究中,科学家使用碳纳米管(CNT )油墨制成的锂离子电池作为集电器,用传统的锂粉作为电极,用薄而多孔的KimwipesTM作为纸基板。研究人员还为它添加了聚偏二氟乙烯( PVDF )涂层,以改善纸基板中CNT油墨的粘附性。最终制作出来的电池具有良好的导电性和相对稳定的能量。

研究人员尝试使用了简单的对半式折叠和更复杂的Miura-ori折叠法。研究人员发现,使用简单的对半式折叠法时,相比平面电池,折叠一次、两次和三次可以使单位面积的能量密度和容量增加1.9 、4.7和10.6倍。而Miura-ori折叠法更有效:将一块6厘米×7厘米的电池折叠成25层,能使单位面积能量密度和容量增加14倍,并使它的总面积下降至1.68平方厘米。

“我们用单位面积能量密度表示能量密度的增加情况,”陈解释道, “这与单位重量能量密度不同,因为电池被折叠和展开时质量不变。”

总体而言,在简单的折叠模式中,折叠后的电池的电化学性能与平面电池相似。折叠电池的库仑效率高于那些展开的电池,这可能是由于电池在折叠后电极材料与碳纳米管之间的接触增加

相对于平面电池,以Miura-ori法折叠的电池的某些性能稍有降低,包括放电容量与电容率的降低。研究人员认为,这些损失可能是由于垂直褶皱交叉点的分层,因为这些电池中含有16个顶点。为了防止电池,研究人员在层与层之间使用了一种柔韧的绝缘薄膜:聚对二甲苯- C。

这项研究成果使人们首次看到了使用折叠法增加锂离子电池单位面积能量密度和容量的潜力。在将来,随着几何折叠算法、计算工具和机器人操纵技术的进步,可能会出现更复杂的折叠模式,并使商业用途的大尺度电池的出现成为可能。

因为低廉的成本、简单的制造方法和灵活性,纸基电池已经对人们具备相当的吸引力。如果通过折叠的方式能够进一步提供纸基电池的性能,这可能会导致各种应用的高性能电池的产生。

“使用折叠法和折纸概念可以为纸基储能装置创造新的几何形状、几何设计和新功能,这一领域具有无限的潜力。”陈说。