Adv. Mater. 由竹简启发的高能量密度柔性可穿戴Li-O2电池

柔性电子产品有着可弯曲、便携式、可折叠、可耐磨的优点，是可用于新一代的电子设备的非常有应用前景技术，或将彻底改变我们的日常生活。而电子能够跟柔性电子设备的能量存储／转换设备很好地匹配，是柔性电子得以广泛应用的关键。目前可用的柔性的功率设备，包括可充电的锂离子电池、柔性太阳能电池、还有超级电容器，它们的能量密度太低，基本上都不符合下一代柔性电子的要求。

相比于上面提到的锂离子电池和超级电容器等，新兴的可充电锂氧（Li-O2）的电池或许会是柔性电子应用的理想选择，它具有显著的理论能量密度，高达3600 W h/kg，这比最先进的锂离子电池高出将近5-10倍。

然而，由于Li-O2电池仍处于起步阶段，虽然相关研究已经改善了它的电化学性能，但是几乎所有的研究都是基于刚性块体结构的研究：一块纽扣电池或世伟洛克设计，其中沉重的电活性惰性的包装材料，比如不锈钢壳或工程塑料，这些组件是为了确保Li-O2电池里面的正极、负极、隔膜的紧密接触，也是为了避免液体电解质的泄露，组件占了多数电池的质量，这不仅大大降低了Li-O2电池的实际能量密度，也不能满足下一代柔性可穿戴电子设备的要求。

最近，中国科学院长春应用化学研究所的稀土资源利用国家重点实验室的张新波课题组在Advanced Materials上报道了一种新型的柔性可穿戴Li-O2电池结构（如图1），这个Li-O2电池的结构类似于竹简但是它的可轧制性却优于竹简，它可以从任意方向卷起来，这赋予了电池非常好的柔性（如图5），编织结构赋予了电池透气性，正极由一个聚丙烯膜和疏水凝胶聚合物的电解质保护着，可以避免接触湿气和水分而产生的隐患，所以即使电池金如到水里也可以正常运作（如图2、图4所示），这是前所未有的研究发现。紧密交织的正极和负极消除了对空气扩散层以及包装固定材料（这些占了常规电池质量的主要比例）的需要，所以这整个电池免去了包装材料，只包括一个正极，一个GPE膜和一个空气负极。少了包装材料，电池总质量减小，整个锂氧电池的实际能量密度也得到了显著的提高。除此之外，制备出来的Li-O2电池还具有优异的电化学性能（如图3所示）。

图1 受到中国古代的竹简的启发，制备出来的柔性可穿戴锂氧电池的示意图

图2 涂覆有碳纳米颗粒（b）的原始碳线（a）的SEM图像；（c）制备得到的GPE膜以及它对应的SEM图像（d）；（e）GPE与水的接触角；（f）Li正极浸入水中的图片

图3  a）充放电过程的机理示意图；b）柔性可穿戴Li-O2电池的倍率性能；c）柔性可穿戴Li-O2电池的充放电曲线；d）柔性可穿戴Li-O2电池的循环特性；e）原始状态的碳线负极的SEM图；f）首次放电条件下，碳线负极的SEM；g）原始状态和首次放电条件下碳线负极的XRD图谱

图4  a-f）在商业发光二极管充电并进行各种弯曲和扭转的条件下，柔性可穿戴Li-O2电池的光学图像; g）各种弯曲和扭曲条件下，柔性可穿戴式Li-O2电池的首次放电曲线；h）各种弯曲和扭曲条件下，柔性可穿戴式Li-O2电池的平均放电电压和容量的对比图；i）各种弯曲和扭曲条件下，柔性可穿戴Li-O2电池在商用红色发光二极管供电下，浸泡在水中的示意图

图5  a）放电电压和能量密度和b）基于放电曲线对不同类型Li-O2电池的能量密度的粗略比较

图6 制备得到的柔性耐磨Li-O2电池与服装的结合图

作者在竹简的结构的启发下，成功地设计出了一种高能量密度的Li-O2电池，竹简式电池能在浸泡在水中的条件下正常运作，这是前所未有的。它的柔性和可穿戴性也非常强，可以满足下一代的柔性可穿戴产品的要求。最重点的是，它的能量密度高达523Wh／kg，远远高于目前其它类型的Li-O2电池（比如纽扣电池、电缆型电池、软包型电池等等），但是要到达Li-O2电池的理论能量密度还有一段很长的路要走，“路漫漫其修远兮”，这需要所有的科学工作者的进一步探索。

文献链接：A Flexible and Wearable Lithium–Oxygen Battery with Record Energy Density achieved by the Interlaced Architecture inspired by Bamboo Slips

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