清华大学曲良体&北理工陈南团队Adv. Funct. Mater.： “小而强大 “的柔性双离子微电池

【引言】

目前，在电子设备不断向小型化、高频化升级的背景下，体积小、电化学性能优越的集成化、小型化储能器件自然会成为微电子器件中不可缺少的组成部分。几十年来，科学家们一直在努力集成传统超级电容器、锂离子电池（LIBs）和薄膜电池等储能设备，目标是提高能量和功率密度以满足上述要求。尽管如此，仍然需要大量的努力来改变现有LIBs的低能量密度、短周期寿命和昂贵的制造成本的缺点，以及由于低能量密度和严重的自放电，超级电容器的发展也受到了很大的限制。因此，目前报道的储能器件大多存在充放电电位低、比容量低、比能量密度有限等局限性，阻碍了储能器件在可穿戴电子器件中的应用。迫切需要开发一种集低成本、高能量密度和稳定电压输出为一体的小型化储能装置，即“小而强大”的装置。微型电池（MBs）由于其超高的功率密度（0.04-3.5 µW cm^-2 m^-1）和能量密度（0.01-7 µW h cm^-2 m^-1），且具有集成到微型器件中的巨大可行性，因此引起了人们的极大兴趣。到目前为止，已经报道并制造了多种具有改进电化学性能的微型电池，在微型器件中表现出巨大的潜力。各种新型的微型电池已成为重要的研究领域，如双金属离子电池，但双离子电池的小型化还没有发展起来。据我们所知，目前还没有关于双离子微型电池DIMB的报道，因此，设计和构建一种用于微电子应用的集成式柔性可充电双离子微型电池具有重要的现实意义和必要性。

【成果简介】

近日，在清华大学曲良体教授和北京理工大学陈南教授（共同通讯作者）团队带领下，刘倩雯等人首次报道了一种平面集成的柔性可充电双离子微型电池（DIMB）。作为微型电池，DIMB表现出56.50 mAh cm^-3的高可逆容量，以及优异的循环稳定性，在高工作电压下循环300次后容量保持率为90%。同时研究了DIMB在发光二极管（LED）、数字电子游戏机、电致变色眼镜等微型设备中的应用。集成的DIMB是一种高压输出微器件，可达到约100 V的最高放电电压。这种双离子柔性微型电池可成为下一代微电子器件和集成电子器件中储能和转换元件的理想候选产品。该成果以题为“The First Flexible Dual‐Ion Microbattery Demonstrates Superior Capacity and Ultrahigh Energy Density: Small and Powerful”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

 【图文导读】

图1 DIMBs的制造工艺和形貌

a）石墨电极制造工艺示意图。

b，c）一个平面形状和弯曲形状的DIMB电池的照片。

d，e）在半压接状态和完全压接状态下并联连接的五个DIMBs的照片。

f，g）DIMBs阵列的大规模集成：6S×6P DIMBs的照片，并联16个DIMB微电池的照片。

图2 DIMBs的电化学表征

a）DIMB在0.165 mA cm^-2的电流密度下的充放电曲线。

b）DIMB在1C时的dQ/dV微分曲线。

c）DIMB在不同扫描速率下的CV曲线。

d）在1.0 mV s^-1的扫描速率下，DIMB的电容控制电荷的贡献比。

图3 DIMBs充电机理的示意图

a）基于LiPF6电解质的DIMB充电机理的示意图。

b）非原位拉曼数据以及相应的充放电电压。

c）在充放电过程中DIMBs阴极的XRD表征。

d，e）DIMB阳极d）和阴极e）中初始和完全充电的石墨的XPS C 2p光谱。

f-h）初始石墨f），充满电的石墨阳极g），充满电的石墨阴极h）的HRTEM图像。

图4 DIMBs的电化学性能

a）DIMB在1C的低倍率下的循环性能。

b）DIMB在各种电流倍率下的充放电容量。

c）1-5C的DIMB的GCD曲线。

d）与其他市售储能设备（SC：超级电容器）相比，DIMBs的Ragone图。

图5 DIMBs的柔性展示及应用

a）DIMB的GCD曲线是从平坦（0°）到180°测量的。

b）容量与弯曲角度的关系。

c）一个DIMB在弯曲状态下驱动两个红色LED。

d）一个DIMB为十个不同颜色的LED供电，包括蓝色（WV* = 3.4 V）、白色（WV* = 3.2 V）、黄色（WV* = 2.2 V）和红色（WV* = 2.0 V）。

e）小型游戏机（FAMICOM）的照片，该游戏机由一个DIMB放在平面下供电。

f）由一个DIMB（*WV =工作电压）供电的电致变色眼镜照片。

图6 DIMBs的集成化及其电化学性能

a）并联和串联的集成DIMB的示意图。

b，c）在1-3个电池b）并联和c）串联的0.165 mA cm^-2的DIMBs下测试的GCD曲线。

d）大规模集成20个串联的DIMBs阵列。

e）在1C时20个DIMB系列的dQ/dV微分曲线。

f）20个DIMB系列的GCD曲线。

【小结】

文章构建了平面柔性可集成DIMB。电化学实验表明，DIMB具有56.50 mAh cm^-3的超高可逆容量。实现了DIMB在LED、数字电子游戏机、电致变色眼镜等微器件中的应用。此外，集成了DIMBs的高电压微型器件可以提供约100 V的放电电压和102 mAh g^-1（92%）的充电容量。这种双离子柔性微电池将成为下一代微电子设备以及未来集成电子设备中能源存储和转换元件的有力竞争者。

文献链接：The First Flexible Dual‐Ion Microbattery Demonstrates Superior Capacity and Ultrahigh Energy Density: Small and Powerful（Adv. Funct. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adfm.202002086）

本文由木文韬翻译整理。

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