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柔性金属空气电池研究进展及未来展望

作者:中国储能网新闻中心 来源:材料牛 发布时间:2018-09-23 浏览:
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随着柔性和可穿戴电子设备的发展,柔性储能器件吸引了科研界及工业界的广泛关注。近年来,围绕柔性锂离子电池和超级电容器开展了一系列工作,并且取得了重要进展。然而,为了延长电子设备的续航时间,需要储能系统有着更高的能量密度。可循环充放电的金属空气电池由于其远高于目前锂离子电池的理论能量密度,被认为是将来最具有前景的储能装置。开发柔性金属空气电池无疑将极大提高柔性和可穿戴电子设备的续航能力,但是也需要解决更多的挑战。一方面,电池的能量密度、能量效率以及循环寿命都需要提高;另一方面,电极结构、电解液材料以及电池构造都需要进行优化,以在形变条件下保持稳定的电化学性能。

2017年9月14日,EnergyEnviron.Sci.期刊在线发表了由香港理工大学倪萌教授课题组谈鹏博士(第一作者)联合美国佐治亚理工刘美林教授、南京工业大学及澳大利亚科廷大学邵宗平教授撰写的综述论文“FlexibleZn-andLi-AirBatteries:RecentAdvances,Challenges,andFuturePerspectives”。文章介绍近年来以锌空气电池和锂空气电池为主的柔性金属空气电池的结构设计、电极及电解质材料开发以及运行条件管理方面的进展,并对未来研究方向进行了探讨和展望。

综述总览图

一、概述

相比于锂离子电池,金属空气电池有着极高的理论容量和能量密度而引起了广泛的研究关注,如图1所示。其中,碱性体系的可充电锌空气电池和有机体系的锂空气电池作为水系和非水系体系的典型代表更是近期研究的热点。电池的工作原理如图2所示。当将电池制备成柔性,需要设计新的柔性结构,制备柔性的电极材料和固态电解质膜,从而面对更多的挑战。

图1不同金属空气电池的容量、能量密度和电压对比

图2碱性体系锌空气电池和非水体系锂空气电池的工作原理示意图

二、柔性电池结构及测试

目前,在柔性锌空和锂空电池中广泛采用的电池结构是将柔性正极、电解质膜和负极叠加组成的三明治结构。另一种则是采用线状的金属电极,在表面依次包裹电解质层和空气电极层组成管状结构。此外,还有一些新的结构,例如可以折叠的电池结构和受竹简启发制成的柔性超轻便锂空气电池。

针对柔性电池的测试除了常规电池中的充放电和循环寿命测试,在外力下的稳定性至关重要。主要包括弯曲、扭曲不同的角度下和拉伸不同长度下的电化学稳定性以及在长期疲劳下的性能保持性。

三、金属电极

在柔性空气电池中通常直接使用金属片作为电极。但是金属片在长期弯曲中可能出现疲劳失效。在柔性锌空电池中,有将金属粉末和粘结剂、导电碳粉组合形成复合电极,提高了电极的柔性和稳定性。在柔性锂空电池中,有将金属锂和不锈钢网滚压在一起,以提高金属电极抗疲劳性。另外,为了实现柔性电池一定的拉伸性,可以将金属电极制成弹簧状,或者将多片小块的金属联合成一个完整电极,通过“化整为零”满足拉伸的需要。

四、电解质膜

在柔性锌空气电池中,主要采用阴离子交换膜和碱性凝胶电解质作为电池的电解质膜。在柔性锂空气电池中,电解质膜主要包括凝胶、固体和复合聚合物电解质膜。为了实现柔性电池良好的电化学性能,除了要求电解质膜具有良好的电导率、化学和电化学稳定性等传统液体电解质的性质外,与金属和空气电极的界面问题是需要解决的难题。

对电解质膜-金属电极界面来说,需要克服枝晶及表面钝化的问题。对于电解质膜-空气电极界面来说,固体电解质大大减少了有效反应界面。对于锂空气电池来说,由于产物是固态的过氧化锂,进一步加剧了反应面积的衰减。从而,需要有效的方法来增加反应界面。

此外,在电池弯曲或扭曲的过程中,由于电极和电解质膜力学性质的不同,可能会导致电极和电解质膜的分离。如何维持界面的稳定是保证电池得以长期稳定运行的关键。

五、空气电极

空气电极作为金属空气电池的重要组件,一直是研究的热点。一方面,需要有效的催化剂实现电池的快速充放电;另一方面,需要有合适的结构保证氧气的传输。在柔性电池中,更需要电极具有良好的柔韧性满足形变的需要。目前,主要的柔性电极包括:一、以碳布或者碳纤维编制的网组成的电极;二、以纳米碳材料(如碳纳米管、石墨烯)组成的如碳纳米管纸、石墨纸电极;三、金属基体如不锈钢网、镍网形成的电极;四、其他一些新型柔性电极。

六、运行管理

通常,锌空气电池直接在空气中运行,而锂空气电池在氧气中运行。而运行条件会严重影响电池的性能。首先,空气中的水分会影响电解质膜的稳定性,而空气中的二氧化碳有着更大的影响:在锌空气电池中会形成碳酸盐,影响电解质的电导率;在锂空气电池中形成固体副产物碳酸锂,影响电池的充电性能。其次,电池性能通常是在室温环境下测试的,而在实际使用时温度却有着较大的变化。例如在可穿戴设备上,由于和人体接触,电池的运行温度可能会提升至三十度或者更高。而在不同的季节和地区,温度的变化将会更大。因此,未来的电池测试需要更详细的考察在不同气体氛围和温度下的稳定性,并且采用合适的管理措施。

七、总结与展望

近年来,在柔性金属空气电池上取得了一系列进展,电池的能量密度、效率以及循环寿命都有了大幅的提示。未来的研究需要进一步解决下列问题:一、新型的电池结构设计,满足各种形变条件下保持稳定的电化学性能;二、评价标准的建立,将电池性能的考核指标规范化,例如基于统一的质量或体积,规定公认的柔性测试标准(例如弯曲和扭曲角度、拉伸长度、疲劳测试等);三、柔性组件的开发,包括金属和空气电极、电解质膜、集流体以及封装材料等;四、运行条件的管理,保证在不同条件下都能提供稳定的电化学性能。

总而言之,未来的研究需要采用实验在线监测与数值模拟等多种技术手段相结合的方式,清晰地阐明在电池运行中的物质传输、结构变化和电化学反应之间的关系,为合理设计电池提供重要的指导。

(文章来源:材料牛)

关键字:金属空气电池

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