弹性电池是弹性/柔性电子器件的关键组分。但是由于现有电池活性物质的储锂容量很小,因此,目前发展的弹性电池的能量密度普遍较低,无法满足功能日益增强的多功能可穿戴设备的使用。锂金属具有理论上最高的储锂容量(3860 mAh/g),而且电势很低(相比标准氢电极:-3.040 V),是作为锂电池负极的理想材料。但是关键问题是,锂金属并不能被拉伸:在拉伸过程中,锂金属在经历了不可逆的塑性形变后,会很快断裂,这限制了其在弹性电池中的应用。
弹性锂负极的制造过程
最近,斯坦福大学的崔屹教授研究组首次制备了弹性锂负极。他们将直径为150微米的铜丝做成“一维”弹簧,再进一步将“一维”铜弹簧按照“阿基米德”图案,绕成“二维”弹簧,如图一。进一步的,将聚(乙烯-异丁烯-苯乙烯)橡胶的溶液注入到弹簧的螺纹缝隙中,待溶剂挥发干,即可得到“金属-橡胶”复合的二维电极。其中:铜线被浸入的橡胶分隔为铜金属的微区,进一步的电沉积锂金属,即可得到具有三维结构的锂金属微区,这些微区通过单根铜线相连,即使在大的变形情况下,仍然可以保持联通且为一个整体。在外力作用下,电极发生变形,橡胶可以吸收机械冲击力,而保护了锂金属微区不受影响。同时,这些微区之间一直保持有极好的电化学连接,这可以保证即使在剧烈的拉伸变形情况下,锂金属的电化学活性仍能够很好的保持。此外,三维结构的锂金属微区显著增加了电极的有效表观面积,降低了实际电流密度,抑制了锂枝晶的生长,这使得电化学循环稳定性和安全性均得到了改善。
弹性锂金属电池的发展是将传统的柔性/弹性储能体系从常用的弹性“锂离子电池”向弹性“锂金属电池”进军的关键一步。这将有望提高电池的能量密度,为柔性电子的发展注入新的活力!文章发表于能源领域顶级杂志《Joule》。
参考文献: Kai Liu, Biao Kong, Wei Liu, Yongming Sun, Min-Sang Song, Jun Chen, Yayuan Liu, Dingchang Lin, Allen Pei, Yi Cui.Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability.Joule,2018,DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.003 全文链接: https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30239-3
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