鋰電池柔性化結構設計的研究進展

朱東華

摘要：近年來，經濟的發展，促進我國科技水平的提升。社會發展和科技進步使可穿戴電子產品日益多樣化、復雜化，且正逐步走向柔性化、輕量化和輕薄化。柔性化可穿戴電子產品在智能服裝、醫療健康等領域有著廣闊的應用前景，作為其核心部件的電池成為研究的熱點。為了既能夠滿足續航要求，又可以在彎曲、折疊、扭轉甚至拉伸等復雜形變條件下正常工作，或者滿足可編織性、適應性等的使用需求，高比能柔性鏗電池的開發成為重要的研究方向。本文就鋰電池柔性化結構設計的研究進展展開探討。

關鍵詞：柔性鏗電池;柔性化結構;設計

引言

隨著電動車的研發與推廣，動力電池應用得到快速發展。鋰電池具有結構穩定、使用相對安全和較長的壽命周期，在很多動力系統領域得到了使用。對于純電動車和混合動力電動車而言，溫度是影響鋰電池性能和壽命的至關重要的因素。鋰電池充放電過程中產生的熱量，對鋰電池的安全造成潛在危險。溫度過高不僅會降低電池的性能和壽命，還有可能導致嚴重的安全問題。當電池溫度超過安全范圍，鋰電池內部可能發生熱失控。

1柔性鋰離子電池

柔性鋰離子電池和傳統鋰電池的組成對比，如表1所示

PVDF：聚偏二氟乙烯;PTFE：聚四氟乙烯;PVA：聚乙烯醇;CMC：羧甲基纖維素;SBR：苯乙烯丁二烯橡膠;PP：聚丙烯;PE：聚乙烯;PA：聚酰胺;PVC：聚氯乙烯。

柔性電極一般是將功能性的有機和無機材料構建在導電薄膜上，不需要粘合劑和導電劑。粘合劑的去除使電池的電極制備的工藝簡化;提高了柔性電極的導電;提高鋰離子電池的適用溫度達到200℃以上。

2三明治結構超薄電池

從整體結構上對電池進行設計，將電極和隔膜通過層層堆疊方式制備成三明治結構超薄電池，與傳統電池結構的差別較小，是研究較早的一種典型柔性電池結構。用水熱法在柔軟欽箔表面生長一維Li4Ti5012（LTO）納米線，制備三維網狀自支撐柔性LTO負極。用LiMn204（LMO）納米棒制備的三維網狀自支撐LMO為正極，組裝的LTO/LMO全電池開路電壓為2.4V，電流密度為2C時，首圈比容量為163mAh/g，循環70圈后的比容量為168mAh/go三明治結構電池可以制備成更加輕薄化的薄膜結構，即薄膜電池，柔性薄膜結構全固態電池具有極強的柔韌性和較高的能量密度。用Ni基合金作正極集流體，用磁控濺射法濺射鉆酸鏗（LCO）正極，正極上沉積LiPON電解質，然后，用熱蒸發法沉積金屬鏗負極，外層包覆絕緣封裝層，最后，上下表層都用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝：電流密度為46.5uA/cm2（0.5C）時，能量密度為2.2x103uWh/cm3。利用火焰噴霧熱解技術，以涂覆導電銅的柔性聚酞亞胺為基底，采用顆粒大小為6nm的LTO作活性物質，制備了LTO厚度為0.55N.，m的LTO/LiPON/Li固態薄膜電池。電池在2uA（1C）下以平鋪、彎折、平鋪的形態充放電30次后，放電容量基本沒有衰減。薄膜結構的電池設計可以滿足柔性電池輕量化、超薄化的需求，在電池能量密度的提升上還需要進行深人的研究。

3自然對流的電池模塊的熱特性和電化學特性

C條件下，電池表面的最高溫度升高了從25.5?C，表面最大溫差可達10.2?C。5C條件下，電池表面的最高溫度升高了34.9?C，表面最大溫差可達13.2?C?？梢姺烹姳堵手苯佑绊戨姵乇砻鏈囟群捅砻鏈夭?。鋰電池的運行溫度范圍一般為20～40?C，電池表面溫差應低于5?C，較高放電倍率時，自然冷卻無法滿足電池運行的要求。C條件下，電池表面的最高溫度升高了從25.5?C，表面最大溫差可達10.2?C。5C條件下，電池表面的最高溫度升高了34.9?C，表面最大溫差可達13.2?C。可見放電倍率直接影響電池表面溫度和表面溫差。鋰電池的運行溫度范圍一般為20～40?C，電池表面溫差應低于5?C，較高放電倍率時，自然冷卻無法滿足電池運行的要求。

4透明結構電池

透明或半透明柔性電子器件應用廣闊，其所用的銼電池不僅需要超薄化，還需具備透明的特性。柔性透明鏗電池的組裝需要每個組件都兼具柔韌性和透明性，但是制備傳統電池的材料并非透明材料，在硅模板上制備PDMS網格化基底，并涂覆納米金作集流體，再采用微流體協同方法將準備好的電極漿料填充在細密的網格中，制得網格狀透明電極。以網格狀LMO和LTQ分別為正、負極，PVDF基凝膠電解質和聚氯乙烯（PVG）包裝制備的電池，透光率為60%時的能量密度為10WhL。電池能量隨串聯數量的增加呈線性增加的趨勢，但是電池數量的增加并沒有影響透明度，此透明電池設計在柔性透明電子領域有一定的應用價值。Oukas-在玻璃基底上采用UV光刻蝕工藝制備了具有網格電極結構的LCO/LiPONfSi柔性半透明薄膜固態銼離子電池，紫外可見光透過率高達60在3一4.2V電壓范圍內，以C/2倍率進行恒電流放電，容量為0.15mAh。研究表明：無論是有機物，還是無機物，都可以作基底制備網格狀電極的透明電池，但在進行組裝時，電池的網格結構之間要保證完全重合，否則透明度會下降，因此，在組裝新技術方面還需要進一步探索。

5柔性電池研究前景展望

鋰離子電池柔性化面臨的問題主要來自三個方面。第一，隨著柔性電池和電容器的厚度降低，柔性電池和電容器的儲電量明顯降低，限制了柔性電池和電容器薄膜化的進程;第二，柔性電池和電容器因為不用硬質封裝材料使得柔性電子材料容易被破壞，柔性電池與電容器的安全性得不到保證;第三，柔性電子材料的封裝材料達不到長時間密封的要求進而限制了柔性電子設備的使用時長。

結語

隨著社會的快速發展、科技的不斷進步及人們生活需求的多樣化，柔性電子產品已經成為人們生活必不可少的一部分，柔性鏗電池作為產品的核心部件有著廣闊的應用前景和發展空間?；谌嵝曰蚍侨嵝圆牧蠈﹄姵卣w結構進行柔性化設計的基礎研究已經取得了一定的成果。

參考文獻

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