Transient technology:瞬态可消失锂离子电池

瞬态可消失技术(transient technology)正在成为一个新兴领域,瞬态可消失概念要求电子设备在实现正常功能的前提下,具有使其材料,器件,和系统瞬态消失在周围环境中的的技术。“Transient”即“转瞬即逝”,该技术要求材料能够实现可控的快速消失,通过外部刺激和材料自身降解,改变材料物理结构和化学成分,使电子设备失去其应用的功能性,从而达到完全消失的能力。该项技术可以广泛应用于多种领域,其中包括生物医用,环境监测,信息安全设备等。与此同时,瞬态可消失技术还可以帮助解决电子垃圾所造成的环境和土地压力,降低回收处理电子设备产生的成本。

随着瞬态可消失技术被广泛的研究于各种电子器件和设备当中,具有瞬态可消失功能的能量存储设备,例如锂离子电池, 得到了广泛的关注和应用。为了配合瞬态可消失电子设备的发展,发展高容量的小型化能源存储设备变得尤其重要。 设计难点包括对电极材料(正极和负极)的选择,电极结构的设计,电池的封装, 以及外部触发物质(triggering stimulus)的选择等。

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近期, 美国马里兰大学材料科学与工程系和马里兰大学能源研究中心(University of Maryland Energy Research Center, UMERC)胡良兵教授及博士后研究员付堃等成功研制出瞬态可消失锂离子电池 (transient lithium-ion batteries)。该电池使用五氧化二钒材料作为正极, 锂铝合金作为负极, 构建了可溶解在碱溶液中的新型瞬态可消失电池体系。 该电池体系可在正常环境下反复充放电使用。为了实现高容量,该电池正极通过取用折纸概念(origami)将正极材料反复折叠形成高负载量的电极,同时使用银锡氧化物作为透明导电剂为正极材料实现良好的导电性和光学瞬态可消失性 (optical transience), 从而使正极材料的面容量可达到3 mAh/cm2。该电池负极使用了锂铝合金, 通过对铝箔嵌锂深度的控制, 实现了锂铝合金和铝集流体的一体设计。由于电池表面涂覆有聚碳酸酯,该涂层可以有效防止水分对电池的腐蚀, 同时可以实现在碱液中的快速溶解。 测试表明,30次反复充放电后,该电池循环依然保持平稳。在碱溶液溶解试验中, 该电池(1cm2 cm)可以实现5分钟完全溶解,从而实现瞬态可消失的功能。该工作为瞬态可消失电子器件的发展提供了很好的能源存储方案, 同时为可降解电池和电池回收工作提供了新的设计思路。

相关论文发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201502496)