南開大學ACS Nano: 一體化柔性鋰硫電池

【引言】

便攜式電子產品正朝著超薄，集成，柔性的可穿戴式設備發展。為了匹配這些電子設備以實現完全自供電的柔性電子系統，必須設計具有簡化和可集成的柔性能量存儲設備。在各種儲能裝置中，鋰-硫（Li-S）電池由于其理論能量密度高和正極成本低而成為有希望的候選者。最近，各種獨立的碳/硫復合薄膜由于其優異的機械和電化學性能而被直接用作柔性Li-S電池的正極。然而，其中的大多數柔性Li-S電池仍然是傳統的三明治結構。當這些具有傳統堆疊結構的柔性裝置彎曲成不同的程度時，由外部變形引起的相鄰部件之間的位移和分離將會嚴重降低裝置的性能，甚至導致短路。因此，應進一步開發具有不同電極和結構的柔性Li-S電池。最近，設計了具有一體化結構的柔性能量存儲裝置，其中包括電極，隔膜和甚至集流體的所有部都件集成在一起。一體化裝置的連續性無縫連接不僅可以確保有效的電子和/或載荷傳遞能力，還可以避免頻繁機械變形下相鄰部件之間的相對位移或脫離，從而提高機械性能和電化學穩定性。

【成果簡介】

最近，南京大學牛志強教授（通訊作者）團隊設計了一種柔性的集成一體化結構，其中多壁碳納米管/硫（MWCNTs/S）作為正極，通過刮刀涂層與真空蒸發方法相結合，將MWCNT/二氧化錳（MnO₂）夾層和蒸發的鋰陽極一起集成到聚丙烯（PP）隔板上。這種一體化結構不僅可以降低電極界面接觸電阻，還可以避免彎曲狀態下相鄰元件之間的位移或脫離，從而確保有效的電子和載荷傳遞能力。因此，所制備的Li-S電池在不同的機械變形下顯示出高柔韌性和穩定的電化學性能。本文提供了將柔性能量存儲設備的所有組件組裝成具有出色結構穩定性的一體化集成架構的策略。相關研究成果以“A Flexible All-in-One Lithium-Sulfur Battery”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一一體化柔性電池的制備示意圖及其形貌表征

（a）一體化結構制備的示意圖

（b）一體化結構的橫截面SEM圖像和C，S和Mn的（c-f）相應的元素映射

（g，h）MWCNTs/S-MWCNTs / MnO₂?@PP結構的光學圖像

（i，j）一體化MWCNTs/S-MWCNTs / MnO₂?@ PP @ Li結構的光學圖像

圖二柔性一體化電池的各組分的SEM表征和力學性能表征

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（a）MWCNTs/MnO₂涂層，（b）MWCNTs/S涂層和（c）Li層的SEM圖像。

（d）MWCNTs / S-MWCNTs / MnO₂?@ PP的一體化結構的應力-應變曲線和MWCNTs / S膜，MWCNTs / MnO₂膜和PP分離器的堆疊結構

（e）彎曲成圓柱形輥的多層膜結構的機械模型

（f）在不同彎曲狀態下的一體化結構的歸一化薄層電阻，其中R0和L0是初始值

圖三多硫化物的阻隔實驗

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（a）一體化Li-S電池在1.7和2.8V之間的CV曲線，掃描速率為0.1mVs^-1

（b）充放電曲線

（c）倍率性能

（d）EIS譜圖

（e）在1C下的長循環性能

圖四一體化柔性軟包Li-S電池在不同條件的電化學性能表征

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（a）一體化軟包Li-S電池在0.1C的第一次循環時的充放電曲線

（b）柔性一體化和堆疊式軟包裝Li-S電池平面和不同彎曲狀態下的循環性能

（c）折疊狀態下的一體化和（d）堆疊結構的橫截面SEM圖像

（e）一體化和堆疊式軟包裝Li-S電池在平坦和彎曲狀態下的EIS

（f）一體電池和堆疊電池之間的電化學性能比較。

（g）在不同彎曲狀態的下使得蓮花燈變亮

【小結】

總之，本文開發了一種將漿料涂層與真空蒸發方法相結合的策略，以實現柔性的一體化集成MWCNTs/S-MWCNTs/MnO₂?@ PP @ Li結構，其中包括Li-S電池的正極，中間層，隔膜和鋰負極。其連續無縫連接可有效避免相鄰部件在不同機械變形下的位移或脫離，以確保負載和/或電子傳遞能力。因此，一體化結構顯示出優異的柔韌性和結構穩定性。更重要的是，所制備的一體化軟包裝Li-S電池在不同的彎曲狀態下即使在軋制，扭曲或折疊時也表現出快速的電化學動力學和穩定的電化學性能。

文獻鏈接：“A Flexible All-in-One Lithium-Sulfur Battery”(ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b06936)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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