線(xiàn)型鋰離子電池 超高電化學(xué)性能表現

一支來(lái)自上海復旦大學(xué)的科研團隊日前研發(fā)了一款可伸縮線(xiàn)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/氧化鋰復合絲線(xiàn)作為電池組的陽(yáng)極和陰極材料，而且不額外使用集電器以及粘結劑。正如這支科研團隊發(fā)表在《應用化學(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、安全可靠的織物結構，并且擁有很高的能量密度等級。

兩根復合絲線(xiàn)配合使用，可以得到可靠性高的電池組，能量密度達到27瓦時(shí)/千克或者17.7毫瓦時(shí)/立方厘米，功率密度達到880瓦/千克或者 0.56瓦/立方厘米，這些數據比傳統鋰離子薄膜電池反映數據有著(zhù)數量級上的提高。線(xiàn)型電池彎曲能力強且重量較輕，經(jīng)過(guò)100次彎曲測試后儲電能力可以保留新產(chǎn)品的97%。

得益于改進(jìn)的彈簧結構，線(xiàn)型電池彈性出眾;經(jīng)受200次強度達到100%的拉伸測試，儲電性能僅僅降低16%。創(chuàng )新的線(xiàn)型電池已經(jīng)被開(kāi)發(fā)成了可拉伸的織物式電池組，未來(lái)很有可能得到廣泛應用。先前生產(chǎn)線(xiàn)型電化學(xué)超級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)系統的性能表現較差，最終也沒(méi)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，但是之前的設計并沒(méi)有考慮過(guò)導線(xiàn)的形式。除了效能結構上的難題，鋰離子電池的安全問(wèn)題也是一個(gè)重要影響因素：電池在過(guò)度充電時(shí)，材料鋰會(huì )形成樹(shù)枝狀結構，有可能穿透陽(yáng)極，造成整個(gè)供電系統的短路，最終引起電池的自燃。這個(gè)問(wèn)題對于線(xiàn)型電池構造顯得更為嚴重，因為使用過(guò)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次充放電測試，1厘米線(xiàn)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(wèn)題

復旦大學(xué)的這支科研團隊成功解決了該安全性問(wèn)題，研發(fā)出了高能量密度的線(xiàn)型鋰離子電池，而其中的核心技術(shù)為一種特殊的結構以及使用的材料。陽(yáng)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。由于平行的納米結構和超高導電能力，制造過(guò)程不需要使用任何集電器和粘結劑。

電池充電過(guò)程中，鋰離子從錳酸鋰晶格移動(dòng)到電解液中，最終到達陽(yáng)極的鈦酸鋰晶格中;電池放電過(guò)程中，鋰離子的運動(dòng)方向剛好相反。鈦酸鋰復合電極的應用，使得單質(zhì)鋰和鋰離子之間的轉化發(fā)生在電壓1.5伏左右，因此樹(shù)枝狀鋰結構生成的概率很小，不會(huì )造成短路的發(fā)生，從而電池安全性得到保障。

連續碳納米管的平行排列設計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，充當了集電器的作用。兩條電極絲線(xiàn)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(xiàn)型電池富有彈性，包裹材料可以使用像聚二甲硅氧烷這類(lèi)彈性纖維，并涂抹一薄層膠狀電解液。這樣的話(huà)，不管是長(cháng)度拉伸到原來(lái)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(xiàn)型電池能夠被生產(chǎn)為很長(cháng)的纖維，再加工成織物結構，最終以紡織品的形式出現。