線型鋰離子電池 超高電化學(xué)性能表現(xiàn)

一支來自上海復(fù)旦大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)日前研發(fā)了一款可伸縮線型鋰離子電池，該創(chuàng)新科技利用兩個(gè)定向多層壁碳納米管/氧化鋰復(fù)合絲線作為電池組的陽極和陰極材料，而且不額外使用集電器以及粘結(jié)劑。正如這支科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)》雜志上的論文所言，新型電池可以編織成輕量化、易彎曲、有彈性、安全可靠的織物結(jié)構(gòu)，并且擁有很高的能量密度等級(jí)。

兩根復(fù)合絲線配合使用，可以得到可靠性高的電池組，能量密度達(dá)到27瓦時(shí)/千克或者17.7毫瓦時(shí)/立方厘米，功率密度達(dá)到880瓦/千克或者 0.56瓦/立方厘米，這些數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)鋰離子薄膜電池反映數(shù)據(jù)有著數(shù)量級(jí)上的提高。線型電池彎曲能力強(qiáng)且重量較輕，經(jīng)過100次彎曲測(cè)試后儲(chǔ)電能力可以保留新產(chǎn)品的97%。

得益于改進(jìn)的彈簧結(jié)構(gòu)，線型電池彈性出眾;經(jīng)受200次強(qiáng)度達(dá)到100%的拉伸測(cè)試，儲(chǔ)電性能僅僅降低16%。創(chuàng)新的線型電池已經(jīng)被開發(fā)成了可拉伸的織物式電池組，未來很有可能得到廣泛應(yīng)用。先前生產(chǎn)線型電化學(xué)超級(jí)電容器的方法為把兩個(gè)纖維電極纏繞在一起，但是整個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)較差，最終也沒能成功推廣到市場(chǎng)中。

鋰離子電池組可以有效地提高能量密度，但是之前的設(shè)計(jì)并沒有考慮過導(dǎo)線的形式。除了效能結(jié)構(gòu)上的難題，鋰離子電池的安全問題也是一個(gè)重要影響因素：電池在過度充電時(shí)，材料鋰會(huì)形成樹枝狀結(jié)構(gòu)，有可能穿透陽極，造成整個(gè)供電系統(tǒng)的短路，最終引起電池的自燃。這個(gè)問題對(duì)于線型電池構(gòu)造顯得更為嚴(yán)重，因?yàn)槭褂眠^程中的拉伸、纏繞和彎曲更容易造成短路。

0.05毫安電流條件下進(jìn)行100次充放電測(cè)試，1厘米線型電池顯示的電能容量保持能力和庫侖效率

解決安全性問題

復(fù)旦大學(xué)的這支科研團(tuán)隊(duì)成功解決了該安全性問題，研發(fā)出了高能量密度的線型鋰離子電池，而其中的核心技術(shù)為一種特殊的結(jié)構(gòu)以及使用的材料。陽極和陰極室兩根處于平行位置的多層壁碳納米管纖維，其中一個(gè)含有鈦酸鋰(LTO)顆粒，另一個(gè)含有錳酸鋰(LMO)顆粒。由于平行的納米結(jié)構(gòu)和超高導(dǎo)電能力，制造過程不需要使用任何集電器和粘結(jié)劑。

電池充電過程中，鋰離子從錳酸鋰晶格移動(dòng)到電解液中，最終到達(dá)陽極的鈦酸鋰晶格中;電池放電過程中，鋰離子的運(yùn)動(dòng)方向剛好相反。鈦酸鋰復(fù)合電極的應(yīng)用，使得單質(zhì)鋰和鋰離子之間的轉(zhuǎn)化發(fā)生在電壓1.5伏左右，因此樹枝狀鋰結(jié)構(gòu)生成的概率很小，不會(huì)造成短路的發(fā)生，從而電池安全性得到保障。

連續(xù)碳納米管的平行排列設(shè)計(jì)可以最大程度上控制納米粒子，并且為電荷傳輸提供了一條有效路徑，充當(dāng)了集電器的作用。兩條電極絲線成平行分布，由一個(gè)絕緣物層分離，并被包裹在一個(gè)熱收縮管中。為了讓線型電池富有彈性，包裹材料可以使用像聚二甲硅氧烷這類彈性纖維，并涂抹一薄層膠狀電解液。這樣的話，不管是長(zhǎng)度拉伸到原來的一倍，或者環(huán)繞成各種各樣的圓圈，都不會(huì)引起電池容量的降低。

線型電池能夠被生產(chǎn)為很長(zhǎng)的纖維，再加工成織物結(jié)構(gòu)，最終以紡織品的形式出現(xiàn)。