Advanced Materials:高比能柔性固态锂离子电容器规模化制备技术

随着可穿戴智能设备在运动、医疗健康等领域的广泛应用,发展与之相适应的柔性可弯曲电化学储能器件成为一项重要需求。但是,柔性储能器件一般采用化学/物理沉积、组装、微钠加工等特殊工艺制备。这限制了材料的选择和使用,导致柔性器件的比能量和力学柔性两者难以兼得。此外,这些特殊工艺无法与当前商业化电池/超级电容器的生产过程相兼容,难以实现规模化制备。

近日,中国科学院电工研究所马衍伟研究团队在高性能柔性储能器件制备技术方面取得新进展,通过从材料到器件的协同创新设计,开发出一种高比能柔性固态锂离子电容器的规模化制备技术。相关研究成果发表在材料学权威期刊Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202005531)上。

锂离子电容器是基于双电层电容存储(电容型正极)和锂离子嵌入机理(电池负极)的一种混合型电容器,其储能性能主要取决于正、负极材料的性能。该研究采用自蔓延高温合成方法,快速(秒级)、低能耗、宏量的制备出氮掺杂多级次碳。高氮含量(12%)和一维&二维复合的多级次结构,使得这种碳材料作为锂电负极时展现出800 mAh/g的优异可逆比容量。经过进一步活化,氮杂多级次碳可以转变为富含介孔的氮杂碳正极。其高比表面积达到2356 m2/g,导电率高达15000 S/m,对锂的比电容为115 mAh/g。基于合成的正、负极材料和聚合物凝胶电解质,制备了具有铝塑壳封装(Pouch-cell)的锂离子电容器。基于正、负电极材料的能量密度达到170 Wh/kg,并且具有优异的循环稳定性。

铝塑封装的锂离子电容器是刚性器件,无法弯折。为了实现柔性,研究开发出一种对辊压印技术使得铝塑封装锂电容形成波浪状结构。有限元仿真表明,波浪结构提供了器件弯折/伸缩的空间,可有效降低器件弯折时的应力。原位电化学测试表明,经过数千次弯折,波浪状锂离子电容器的容量几乎没有衰减,展现了良好的柔性可弯曲性能。该技术实现了铝塑电池/超级电容器的柔性化,并且与常规制备工艺兼容,提供了一种规模化制备柔性储能器件的方法。

该研究与国家纳米科学中心魏志祥研究团队合作完成。研究工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院大连洁净能源研究院合作基金、中科院青促会的支持。