上海复旦大学首次制备出纤维状碳纳米管锂离子电池

科技日报 综合报道

纤维状全锂离子电池可被织成衣服为可穿戴式电子产品供电。美国化学学会提供

若从最近谷歌眼镜(Google Glass)的新品发布和苹果iWatch智能腕表即将上市的种种迹象来看,可穿戴电子产品将可能掀起下一个新科技浪潮。为了解决这类产品的电力供应问题,中国上海复旦大学的研究人员首次制备出基于碳纳米管(CNT)的纤维状全锂离子电池,可被灵活地编织成具有高性能的柔性能源纺织品。该研究成果发表在最新一期的《纳米快报》上。

从头部显示到生物医学监测,可穿戴式电子产品可以提供许多先进的功能,对电池的要求很高,不仅体积小、重量轻,还必须具备满足设备运行诸多功能所需的强大能量。因此,可穿戴式电子产品最大的技术瓶颈即是电池。

据物理学家组织网5月27日报道,新的研究设计和编制的碳纳米管(CNT)复合纱线,可牢牢缠绕进棉纤维之中,创建出高性能的锂离子电池。该纤维的直径为1毫米左右,可以编织成柔性的织物或布料,并且与灵活的可佩戴电子设备兼容。

参与这项研究的翁伟(音译)说:“这种电源能够被直接无缝集成到可穿戴式的电子产品是非常必要的。由于它需要被灵活地织成衣物,纤维状的电源是最理想的。虽然这是初次实现碳纳米管纤维状锂离子电池,它却表现出非常好的电化学性能,包括高能量密度达0.75兆瓦时/平方厘米,并在经过100次使用周期后,电池保有容量达87%。”

设计纤维状锂离子电池的最大挑战之一,是广为人知的硅膨胀问题。在充电/放电过程期间会发生化学反应,硅的体积经受巨大的变化可达300%。为适应这种情况,研究人员引入碳纳米管制成一个复合CNT/硅纱阳极。碳纳米管有效缓冲了硅的体积变化,并将其牢固化。如果没有这种混合结构,硅的膨胀会使其剥落,导致电池损坏。

对于制作阴极的材料,研究人员采用碳纳米管和锰酸锂,其好处是高稳定性、工作电压高和成本低。通过将由凝胶电解质分隔的阳极和阴极基于CNT的纱线缠绕进棉纤维,这种锂离子电池就可编织成一个柔性织物。

此前,研究人员曾尝试制造超级电容器纤维,但由于锂离子电池纤维难以制造,便没有把太多的关注投入其中。然而,锂离子电池具有一定的优势,例如更高的能量密度和较低的自放电损失,相比超级电容器,它们为一般的可佩戴电子设备提供了更好的选择。研究人员解释说,在这方面,目前的工作是基于之前的研究有所改善,但仍然有进一步改进的余地。

研究人员说:“2012年的报道称,锂离子电池使用铜线作为骨架,具有类似电缆型的形状。其结果是很棒的,但由于这种电池具有大直径、使用液态电解质,并且很重,也许不适合织成能源纺织品。现在采用碳纳米管纤维作为其骨架,密度接近铜的1/9,并且使用凝胶电解质以确保安全性。另外,复合纱线的阳极和阴极由碳纳米管纤维,以及直径为100μm,仅是电缆电池中阳极1/10的活性材料制成,因此这种纤维状电池与用于制衣的聚合物纤维兼容,实现了高性能的电池。”

在未来,研究人员计划在各种领域进一步改善这种纤维电池。研究人员说:“首先,提高性能,如容量和循环寿命;其次,规模化生产;第三,其他功能将被合并,例如拉伸、变色和自供电。”

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