电子设备的小型化、可穿戴化是未来电子设备的发展趋势。
三星和LG等显示器制造商都推出了自己的柔性可折叠屏幕。
但目前类似纸质的可折叠手机和带显示屏的衣服在实际应用中仍然存在一个难以逾越的障碍——电池的灵活性。
锂离子电池作为电子设备的重要组成部分,负责为设备提供能量,但目前使用的主流锂离子电池由于结构因素,无法实现柔性可折叠,而一些可折叠的储能装置,如柔性太阳膜、超级电容器、锂离子电池等,储能密度太低。
但无法应用,限制了可穿戴柔性电子设备的应用。
其实,秦人在很多年前就为我们提供了解决办法——竹简。
竹简作为中国传统文化的典型代表,至今仍为现代科技的发展做出了贡献。
竹简由坚硬的竹子制成,但可以弯曲。
这主要与其结构设计有关。
同样的设计也可以应用于柔性储能装置的开发。
例如,长春应用化学研究所的刘庆超等人利用这种结构开发了一种柔性、可穿戴的锂氧电池。
锂氧电池是一种高能充电电池,理论比能量为Wh/kg,是锂离子电池能量密度的5~10倍以上。
但由于Li-O2电池的特性,它们需要O2扩散层(如泡沫镍、铁网等)。
目前设计的软包电池的堆叠结构大大降低了Li-O2电池的能量密度,也导致其无法折叠或弯曲,这极大地限制了其在柔性可穿戴设备中的应用。
受竹简的启发,刘庆超等人。
开发了一种具有竹滑状结构的Li-O2电池。
这种电池具有极高的可折叠性。
其空气正极采用涂有纳米碳颗粒SP的碳纤维制成,使得电池可以向任意方向折叠,其编织结构可以让O2快速从电池两侧扩散到电池内部,确保O2减少反应和析氧反应在空气电极上发生快速、充分。
锂负极由聚丙烯薄膜和疏水性这两种材料制成,这两种材料具有较高的孔隙率,保证了正负极之间有足够的锂离子扩散速率,同时在紧急情况下可以保护负极免受水蒸气甚至水的影响。
因此,电池甚至可以在水下使用。
由于这种结构不需要空气扩散层和外部封装,因此电池的能量密度大大提高。
电化学实验发现,该电池在电流密度为mA/g时,放电比容量达到mAh/g。
即使电流密度提高8倍至mAh/g,放电比容量仍可达到mAh/g。
目前实验阶段电池能量密度达到0.1Wh/kg。
通过对正极表面形貌的研究发现,放电后,正极碳纤维表面形成了一层约50nm厚的放电产物。
通过后续的XRD衍射分析,发现这层产物为Li2O2。
这种电池的放电容量和电压几乎不受折叠状态的影响。
该电池表现出出色的可折叠性。
即使部分电池放入水中,电池仍能正常工作,保证了电池在实际应用中的使用。
使用时对雨水等恶劣环境具有良好的耐受性。
目前该类电池的制备成本过高,难以实现商业化。
但随着技术的不断进步,相信其制备成本也会迅速下降。
由于其灵活可折叠的特点,具有良好的应用前景。
中华民族有着五千多年的文明史,给我们留下了灿烂的文化遗产。