科学家开发评估柔性储能设备灵活性耐磨性新方

作者: 生命科学  发布:2019-10-19
柔性电池,多“柔”算“柔”?
科学家开发评估柔性储能设备灵活性耐磨性新方法

随着柔性电子学的发展,可穿戴电子设备正在飞速进入人们的生活。为了实现可穿戴器件的产品化,其供能部件也需要柔性化和高性能化,因此,高性能的柔性储能器件将越来越显示出其潜在的市场价值。超级电容器作为一种新型的电能存储器件,能量密度高于传统的平行板电容器,功率密度和使用寿命优于锂离子电池,因而被广泛研究。然而,超级电容器在遭受弯曲变形以后,高分子电解质层保持良好,电极材料结构往往被破坏,储能特性下降。电极材料力学性能的欠缺严重限制了超电容在柔性可穿戴领域的应用,因此,兼具力学特性与储能特性的柔性超级电容器的研制,仍然面临巨大的挑战。

自柔性电子设备出现以来,“让屏幕卷起来”就一直是人们所追逐的潮流。历经十余年的发展,进一步实现设备更灵活地弯曲、折叠、扭转、压缩和拉伸,以及有更舒适地体验,成为了人们的更高追求。

近期,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所国际实验室研究员陈韦课题组设计制备了一种MOF结构多孔碳材料,并基于该材料成功构筑了兼具力学柔韧性与高储能特性的柔性超级电容器。该团队首先在碳纳米管表面原位生长了MOF材料,接着使用高温退火处理得到了MOF结构多孔碳材料。这种新材料具有高氮掺杂、高比表面积、窄孔分布以及高导电性(278 S m-1)等特性。从结构设计上看,碳纳米管不仅提高了材料导电性,而且赋予了材料连续性与柔韧性;另一方面,MOF结构则起到吸附容纳离子的作用。研究表明,新材料在水体系下测得的比电容高达426F g-1,并且历经1万次循环后性能不衰减。该团队利用聚合物互穿网络/离子液体电解质层进一步与电极组装成柔性薄膜超级电容器,实验证明,器件在遭受扭曲、拉伸以及折叠等变形之后,性能保持良好并且运行稳定,在可穿戴设备领域具有重要的应用价值。相关成果已发表在《先进功能材料》杂志上(Advanced Functional Materials, 2017, 27,1606219)。

然而,束缚这一目标实现的最大瓶颈就是柔性储能器件,比如:柔性电池和电容等。哪些指标可测量其柔性性能?达到怎样的程度才是最优性能?

该工作得到国家自然科学基金、江苏省杰出青年自然科学基金、科技部港澳台合作专项和科技部重大科学研究计划等的资助。

“目前,科研人员研究并设计了多种柔性储能器件,在材料、结构设计以及电化学性能稳定性等方面取得了显著的进展,但如何测试和评估这些器件的‘柔性’和‘可穿戴性’成为摆在研究人员面前的难题。”香港城市大学教授支春义告诉《中国科学报》。

金沙澳门官网dkk 1

支春义与团队历经6年积累,首次全面比较和分析了常用的评估柔性储能器件柔性的几何参数,并提出“柔度”的概念来评估柔性储能器件的可穿戴舒适性。相关成果日前发表在Cell子刊《Joule》上。

图1. MOF结构多孔碳材料制备工艺

参数“任意”,不知何为“柔”?

金沙澳门官网dkk 2

近年来,随着电子电路、纳米技术、材料等,以及人工智能技术的不断发展,柔性可穿戴电子设备被认为是“未来电子产品的重要发展方向”。其以高柔性、轻薄、便携、可植入、可穿戴等特点,受到不同行业和大众消费者的青睐。

图2. MOF结构多孔碳储能特性表征

“这些柔性可穿戴电子设备的发展离不开高度灵活的储能装置,如柔性电池或者超级电容器等。”论文通讯作者支春义表示,它们不仅要有与常规电源类似的高能量、高功率密度,还需要具有强大的耐弯曲、耐冲击甚至可拉伸性能,以满足柔性电子设备在外力作用条件下的储能需求。

金沙澳门官网dkk 3

过去,科学家们重点关注的是柔性储能器件的材料制备、结构设计以及电化学性能,并取得了一系列的成果。然而,对于这些器件的“柔性”和“可穿戴性”等性能却少有人研究。

图3. 柔性超级电容器性能表征

支春义指出,这使得该领域采用的柔性测试方法和参数缺乏统一的标准,多种多样,甚至很随意,难以准确评价和比较柔性储能器件的性能,不利于这一领域的进一步发展。

同时,除了达到“柔”的基本目标,“像衣服一样柔软舒适”则是柔性储能器件的终极目标之一,“然而其穿戴舒适性几乎很少被研究过,通常被忽略。”支春义说。

“柔度”告诉你有多“柔”

研究人员首先通过弯曲耐受性测试评估电子设备的“柔性”。

弯曲角度、弯曲半径和器件长度是评估柔性储能器件弯曲耐受性的常用参数。

本文由金沙澳门官网dkk发布于生命科学,转载请注明出处:科学家开发评估柔性储能设备灵活性耐磨性新方

关键词: