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纤维状碳纳米管电池可织成“能源衣”
2014-06-04 16:53:42来源:元素商城

化工资讯网整理编辑:从苹果iWatch智能腕表以及谷歌眼镜(Google Glass)新品的即将上市的种种迹象来看,可穿戴电子产品将很有可能引领一个新科技浪潮。如今为了解决这类产品的电力供应的相关问题,我国上海复旦大学的研究人员首次通过不懈的研究和实验制备出基于碳纳米管(CNT)的纤维状全锂离子电池,这种电池可以被灵活地编织成具有高性能的柔性能源纺织品。

该研究成果发表在最新一期的《纳米快报》上。从头部显示到生物医学监测,可穿戴式电子产品可以提供许多先进的功能,对电池的要求很高,不仅体积小、重量轻,还必须具备满足设备运行诸多功能所需的强大能量。因此,可穿戴式电子产品最大的技术瓶颈即是电池。

参与这项研究的翁伟(音译)说:“这种电源能够被直接无缝集成到可穿戴式的电子产品是非常必要的。由于它需要被灵活地织成衣物,纤维状的电源是最理想的。虽然这是初次实现碳纳米管纤维状锂离子电池,它却表现出非常好的电化学性能,包括高能量密度达0.75兆瓦时/平方厘米,并在经过100次使用周期后,电池保有容量达87%。”设计纤维状锂离子电池的最大挑战之一,是广为人知的硅膨胀问题。在充电/放电过程期间会发生化学反应,硅的体积经受巨大的变化可达300%。为适应这种情况,研究人员引入碳纳米管制成一个复合CNT/硅纱阳极。碳纳米管有效缓冲了硅的体积变化,并将其牢固化。如果没有这种混合结构,硅的膨胀会使其剥落,导致电池损坏。

对于制作阴极的材料,研究人员采用碳纳米管和锰酸锂,其好处是高稳定性、工作电压高和成本低。通过将由凝胶电解质分隔的阳极和阴极基于CNT的纱线缠绕进棉纤维,这种锂离子电池就可编织成一个柔性织物。此前,研究人员曾尝试制造超级电容器纤维,但由于锂离子电池纤维难以制造,便没有把太多的关注投入其中。然而,锂离子电池具有一定的优势,例如更高的能量密度和较低的自放电损失,相比超级电容器,它们为一般的可佩戴电子设备提供了更好的选择。研究人员解释说,在这方面,目前的工作是基于之前的研究有所改善,但仍然有进一步改进的余地。

研究人员说:“2012年的报道称,锂离子电池使用铜线作为骨架,具有类似电缆型的形状。其结果是很棒的,但由于这种电池具有大直径、使用液态电解质,并且很重,也许不适合织成能源纺织品。现在采用碳纳米管纤维作为其骨架,密度接近铜的1/9,并且使用凝胶电解质以确保安全性。另外,复合纱线的阳极和阴极由碳纳米管纤维,以及直径为100μm,仅是电缆电池中阳极1/10的活性材料制成,因此这种纤维状电池与用于制衣的聚合物纤维兼容,实现了高性能的电池。”在未来,研究人员计划在各种领域进一步改善这种纤维电池。

研究人员说:“首先,要提高锂离子电池性能,如容量以及循环的寿命;再者,是规模化的生产;第三,其他一些相关功能将被合并,比如拉伸、变色和自供电。”

纤维状碳纳米管电池可织成“能源衣”

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