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Adv. Mater. 崔屹综述:具有柔性和可伸缩性储能器件的最新进展和展望

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【背景介绍】

由于对能源需求的逐步增加,能量转换和能量存储系统需要具有更可靠,廉价,环境友好的特点,也是现今社会需要面临的最大的挑战。在过去二三十年中,从便携器件和电动车到大规模储能系统,电化学储能方面取得了令人印象深刻的进展,比如锂离子电池和超级电容器。近年来,现代社会中高科技产品的设计需要更先进的功能和技术创新,其中电子器件需要实现柔性,可弯折,可折叠,可伸缩的功能,比如可穿戴电子产品,电子纸,智能衣,电子皮肤,植入式医疗器械等。所以,为成功实现这些功能,需要继续发展柔性和可伸缩性储能系统,但在可变形的同时也要保持其电化学性能。

锂离子电池是一种理想的储能器件,高能量密度,高功率密度,优异的循环稳定性,同样,近几年,超级电容器也因为其优点而备受关注。传统的锂离子电池和超级电容器是刚性的,而且质量大,电极制备也是采用活性材料、导电剂、粘合剂混合涂抹干燥压片的方法,容易造成电极材料和集流体分离,影响电化学性能,甚至剥落的电极材料会渗透分离导致短路和热流失。由于传统的组成部分不能充分实现变形,因此所有组分急需寻找新的替代者。

最近前沿的报道对于柔性和可伸缩性储能器件的设计组成、制备方法、电化学性能、机械性能很关注,尤其是锂离子电池和超级电容器。锂离子电池和超级电容器有着相同的组成成分,包括阴极、阳极、电解质/分隔器、集流体和包装材料,其中所有的组分要求在保持一定优异性能的情况下兼容有变形的能力。现在的柔性锂离子电池和超级电容器面临三个问题:1)设计和制备柔性电极;2)在动态之中的电化学性能稳定性;3)实现高能量密度和高功率密度。因此,发现新颖的方法制备柔性和可伸缩性储能是现在实际应用和工业生产上的一大挑战。

鉴于此,斯坦福大学的崔屹教授等就从2010年起关于柔性电池和超级电容器的发展进行介绍,分为以下几部分:电极,电解质,集成电池系统,锂离子电池以外的其他电池。

首先,该综述总结了可伸缩超级电容器和电池的主要发展进程。

【图一】可伸缩储能系统的发展进程图

一.柔性储能

尽管柔性储能系统已经很多人投入研究但是其发展仍然处于早期,离刚性器件的发展还差很远。其研究主要关注以下三个方面:1)防止在多次弯折和折叠的过程中液体电解质泄露和内部短路;2)组分之间保证紧密结合;3)弯曲折叠后,能量密度和循环稳定性没有大幅度衰退。

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