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可折叠锂离子电池:定向碳纳米管膜替代传统金属集流体


柔性锂离子电池是可穿戴电子器件的基础元件。常用的锂离子电池以金属箔(铜箔、铝箔等)作为集流体,受其本身固有的刚性所限,难以满足可穿戴电子器件对柔性电源的要求。近年来,以碳纳米管、石墨烯等为代表的碳纳米材料,以其优异的导电性、柔性被广泛地运用于柔性锂离子电池的研究。碳纳米管具有高导电率、保持高力学性能的同时还具有优异的柔性,将其制备成膜是实现锂离子电池柔性集流体的一种理想选择。通常制备碳纳米管膜的方法有抽滤法、干拉法、液相沉积法等。但是这些方法制备的碳纳米管膜不仅力学性能不佳,而且难以实现大规模批量生产。

  同时,在锂离子电池发生形变过程中,保持电池的电化学性能稳定是柔性锂离子电池的另一个基本问题。在承受较大形变时,传统的金属箔集流体光滑的表面极易使得活性材料与集流体发生分离,同时限制了活性材料的负载量。构造多孔的集流体是解决这个问题的一个简易有效的方法。 

                  

  近期,江西理工大学吴子平教授团队与华中科技大学夏宝玉教授团队研究了碳纳米管基集流体对锂离子电池的电化学性能的影响并提出了以定向碳纳米管膜作为集流体的解决办法。该工作以纸作为基底,通过表界面改性成功地实现了定向碳纳米管膜的规模化制备,该膜面积高达~1800 mm×1000mm,且具有大量的三维孔结构。将其用作电池正负极的集流体,不仅使得电池展现出卓越的柔性、电化学稳定性和倍率性能;同时还提升了活性物质的载量,其单层全电池容量高于700 mAh(比容量160 mAh/g),在模拟不同温度(-40~70 oC)及低压条件下,电池仍保持稳定的电化学性能。

  该工作实现了定向碳纳米管膜的规模化制备;成功地通过表界面工程对碳纳米管膜改性,改善了其导电性和对电解液的浸润性;以该膜作为集流体,提升了全电池在不同温度(-40~70 oC)及低压条件下的循环稳定性和倍率性能。

  本工作发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201802349)上,共同第一作者为江西理工大学的硕士生刘亭与张明。 

   来源:中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/xiangmu/newsshow.asp?ID=84520

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