中科院理化所饶伟团队和薛面起团队Chem. Eng. J.: 基于结构功能一体化设计策略的液态金属—空气电池
研究背景
电子系统未来发展的重要趋势之一是小型化和多功能集成，以支撑和适应复杂环境下多任务、多目标及多模式协同的要求。上述需求对电子系统的体积、重量及功能提出了严格要求，需要在材料、器件和系统三方面进行融合思考，从材料创新、系统结构和工艺集成层面进行创新，在减少传统电子系统的物理尺寸的基础上实现更多的功能，才能满足未来电子系统的集成需求。
常规的电子器件往往需要外接电池进行供电，供电系统所要求的空间是不可避免的，尤其在可穿戴式电子系统中，电池元件的体积占比将变得更加明显。此外，在传统设计中，核心元件电池一般是独立的供电系统，与电子系统中其它器件的关联性较弱，由此导致了电子系统中器件连接的复杂性升高，电子系统体积增大，信号传输的可靠性降低。而现有的电池研究工作主要集中于电池容量和充放电性能方面的改善，对集成化电池的研究较少，目前仅针对电池结构的集成进行了探索。需要指出的是，除了结构集成之外，利用电池结构单元独特的物理化学特性，发展多种器件功能并集成于电池元件中，将有望从根本上解决上述问题。因此，设计和制备结构功能集成电池，对于电子系统的小型化和集成化具有十分关键的作用。
成果简介
近日，中国科学院理化技术研究所饶伟研究员和薛面起研究员（共同通讯作者）等人提出了一种一体化的电池设计策略，将储能性能、传感功能和信号转换功能集成于一体化电池元件中，有效地避免了各个功能元件之间的空间堆叠，以及不同功能器件之间的信号转换和传递，并构建了一种结构集成和功能集成的液态金属-空气电池，实现了一体化电池设计策略。利用金属间润湿性，制备了液态金属-改性碳纤维复合负极材料。基于镓基液态金属氧化膜对 pH 的敏感性以及碱性材料的吸湿性，赋予了液态金属-空气电池储能、气体和液体选择性传感，以及将环境中物理信号转换为电位信号进而转换为数字信号的功能。一体化电池设计策略为电子系统的高效性、集成性、轻量化和小型化的实现提供了新的策略。相关成果以“All-in-One ENERGISER design: Smart Liquid Metal-Air Battery”为题发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上。
图文导读
图1. 液态金属-碳纤维电极制备和液态金属-空气电池组装
(a) 液态金属-碳纤维电极制备分为两步进行：碳纤维浸渍液态金属和复合纤维编织、封装；
(b) 液态金属-空气电池的组装图。
图2. 液态金属-碳纤维复合材料的电学和力学性质
(a-b) 液态金属-碳纤维复合材料的电学稳定性分析；
(c-d) 液态金属-碳纤维复合材料的力学拉伸性能分析。
图3. 液态金属-空气电池的放电性能
(a-b) 液态金属-空气电池的线性极化扫描曲线；
(c-d) 电流密度分别为0.5 mA/cm2和2.0 mA/cm2时，液态金属-空气电池的长期放电曲线和恒电流放电曲线；
(e) 液态金属-空气电池的 Ragone曲线，以及与其它储能器件的性能对比。
图4. 液态金属-空气电池的气体传感性能
(a-b) 液态金属-空气电池对湿度的传感性能分析；
(c) 液态金属-空气电池的湿度传感机理解释；
(d) 液态金属-空气电池对其它气体的传感性能分析。
图5. 液态金属-空气电池的液体传感性能
(a) 液态金属-空气电池结构改进；
(b-c) 液态金属-空气电池对醇类和去离子水的分辨传感性能分析。
图6. 液态金属-空气电池的信号转换性能
(a) 液态金属-空气电池的信号转换性能机理解释；
(b-c) 液态金属-空气电池湿度传感和信号转换性能的可视化展示；
(d-g) 液态金属-空气电池液体分辨传感和信号转换性能的可视化展示。
小结
综上，本文针对电子系统的小型化和集成化的迫切需求，提出了一种集储能、传感、信号转换功能集成的一体化电池设计方案，同时实现了结构集成和功能集成，这在以往的研究中需要多个元件的集成才能实现，这有利于减少系统体积和电气连接的复杂性。设计了一种柔性液态金属-空气电池，证实了一体化电池设计策略的可行性。液态金属-空气电池结构简单，能量密度和功率密度接近或优于已有的储能器件。此外，液态金属-空气电池还具有对气体和液体的传感功能。最后，还可以将外界的物理信号转换为低电位和高电位信号，并进一步转换为数字信号。一体化的液态金属-空气电池为开发新型功能和高度集成的电子系统提供了新的思路。
文献链接：
All-in-One ENERGISER design: Smart Liquid Metal-Air Battery (Chemical Engineering Journal, 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.128160)。
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