用于智能化設備的高能量柔性鋰硫電池開拓者
——“星火”

河北工業(yè)大學

賀禹森，張辰峰，王志松，肖一鳴，徐 康

1 作品簡介

本團隊研發(fā)的柔性電池屬于鋰硫電池，目前實驗室級生產(chǎn)的柔性軟包電池可實現(xiàn)200～3 000 mAh的比容量，可充電柔性電池的比能量為300～400 Wh/kg。在保持柔性的基礎上，有助于電池所配適的產(chǎn)品輕量化、小型化；可根據(jù)設備提供空間任意改變形狀，并且具有通用電極的特點，讓鋰硫電池的廣泛配適成為可能。傳統(tǒng)的鋰離子電池難以滿足可穿戴、便攜式醫(yī)療器械等電子設備對輕便、可折疊和高效的儲能器件的性能要求，而本產(chǎn)品能夠有效解決這一問題。

2 技術原理

本團隊研發(fā)的高能量柔性鋰硫電池屬于新型柔性電池，同時電池采用通用電極設計，發(fā)展?jié)摿薮?。如圖1所示為CoNi@PNCFs通用電極的合成示意圖和Li-S全電池供電的電子手表。具體技術原理如下：

圖1 CoNi@PNCFs通用電極的合成示意圖和Li-S全電池供電的電子手表

（1）結構化鋰金屬負極-3D導電碳纖維支架：成功將三維柔性導電支架負載納米金屬團簇/單分散金屬原子的多孔碳纖維材料（CoNi@PNCFs）作為硫正極和鋰負極通用型柔性電極。

（2）構筑物理/化學吸附-催化轉化載體材料：N摻雜碳層包覆的CoNi和Co/Ni-N活性位點具有很強的吸附可溶性多硫化鋰的能力，并可以有效地促進其轉化為不溶性Li2S2/Li2S。

（3）調控鋰金屬生長行為-雙金屬CoNi以及Co/Ni-N引導Li生長：多孔碳纖維的三維交聯(lián)結構具有高比表面積，有利于活性位點的暴露以及電子/離子的輸運。當用于鋰金屬負極載體時，這種基于多孔碳纖維的支架結構可提供足夠的緩沖空間，在電鍍/剝離過程中容納和釋放鋰而且豐富的N位點（包括N摻雜碳和Co/Ni-N鍵）可引導均勻無枝晶的鋰成核。

3 項目創(chuàng)新點

本團隊成功開發(fā)了一種3D柔性多功能雙金屬多孔碳纖維（CoNi@PNCFs），并將其作為高性能鋰硫電池的硫正極和鋰負極的載體材料，主要有以下應用特點：

（1）降低電池生產(chǎn)成本：首次采用通用電極設計策略，協(xié)同增強硫正極和鋰金屬負極電化學性能，實現(xiàn)高能量密度柔性鋰硫電池。

（2）解決鋰硫電池痛點：超細鈷鎳雙金屬顆粒和原子分散的鈷鎳活性位點修飾的多孔碳纖維，具有親硫/鋰的雙重特性，解決了鋰硫體系中的穿梭效應和枝晶生長等問題。

（3）促進鋰硫電池商業(yè)化：基于納米纖維制造技術的三維多孔碳納米纖維具有高比表面積，有利于活性位點的暴露以及電子/離子的輸運。實際應用中，能夠保證在高硫負載、低電解液用量以及低平衡系數(shù)等苛刻條件下實現(xiàn)優(yōu)異面積容量。

柔性鋰硫電池在智能化設備成為趨勢的大環(huán)境下有著廣闊的市場空間。本產(chǎn)品可隨智能可穿戴設備的形狀變化發(fā)生相應的改變，以滿足設備輕便性、貼合性的需求，產(chǎn)品實物如圖2所示。此外，手機這類產(chǎn)品也對柔性鋰硫電池有越來越大的需求，而柔性顯示的背后也需要柔性電池的支撐。在以電力為驅動源的可植入醫(yī)療器械市場，柔性鋰硫電池對于傳統(tǒng)電池的可替代性同樣較大。

圖2 產(chǎn)品實物圖

4 應用前景及市場分析

本產(chǎn)品面向智能可穿戴設備制造企業(yè)市場，為其提供產(chǎn)品生產(chǎn)所需的定制化電池組件。在未來，產(chǎn)品市場定位的下游企業(yè)還包括智能手機制造商、便攜式醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)、微型機器人廠商等。團隊所研發(fā)的柔性鋰硫電池因為容量高、環(huán)境友好以及可塑性強等特點能夠滿足上述智能化設備的多種需求。后期，團隊將依托前期積累的資源，研制并生產(chǎn)配備柔性鋰硫電池的智能可穿戴設備，進軍相關行業(yè)領域。

從長遠來看，本產(chǎn)品價格比市場上相似產(chǎn)品價格低約10%～20%。如未來成功實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，企業(yè)的利潤率將達到40%～50%。