清華大學曲良體&北理工陳南團隊Adv. Funct. Mater.：?“小而強大?“的柔性雙離子微電池

【引言】

目前，在電子設備不斷向小型化、高頻化升級的背景下，體積小、電化學性能優越的集成化、小型化儲能器件自然會成為微電子器件中不可缺少的組成部分。幾十年來，科學家們一直在努力集成傳統超級電容器、鋰離子電池（LIBs）和薄膜電池等儲能設備，目標是提高能量和功率密度以滿足上述要求。盡管如此，仍然需要大量的努力來改變現有LIBs的低能量密度、短周期壽命和昂貴的制造成本的缺點，以及由于低能量密度和嚴重的自放電，超級電容器的發展也受到了很大的限制。因此，目前報道的儲能器件大多存在充放電電位低、比容量低、比能量密度有限等局限性，阻礙了儲能器件在可穿戴電子器件中的應用。迫切需要開發一種集低成本、高能量密度和穩定電壓輸出為一體的小型化儲能裝置，即“小而強大”的裝置。微型電池（MBs）由于其超高的功率密度（0.04-3.5 μW cm^-2?m^-1）和能量密度（0.01-7 μW h cm^-2?m^-1），且具有集成到微型器件中的巨大可行性，因此引起了人們的極大興趣。到目前為止，已經報道并制造了多種具有改進電化學性能的微型電池，在微型器件中表現出巨大的潛力。各種新型的微型電池已成為重要的研究領域，如雙金屬離子電池，但雙離子電池的小型化還沒有發展起來。據我們所知，目前還沒有關于雙離子微型電池DIMB的報道，因此，設計和構建一種用于微電子應用的集成式柔性可充電雙離子微型電池具有重要的現實意義和必要性。

【成果簡介】

近日，在清華大學曲良體教授和北京理工大學陳南教授（共同通訊作者）團隊帶領下，劉倩雯等人首次報道了一種平面集成的柔性可充電雙離子微型電池（DIMB）。作為微型電池，DIMB表現出56.50 mAh cm^-3的高可逆容量，以及優異的循環穩定性，在高工作電壓下循環300次后容量保持率為90%。同時研究了DIMB在發光二極管（LED）、數字電子游戲機、電致變色眼鏡等微型設備中的應用。集成的DIMB是一種高壓輸出微器件，可達到約100 V的最高放電電壓。這種雙離子柔性微型電池可成為下一代微電子器件和集成電子器件中儲能和轉換元件的理想候選產品。該成果以題為“The First Flexible Dual‐Ion Microbattery Demonstrates Superior Capacity and Ultrahigh Energy Density: Small and Powerful”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 DIMBs的制造工藝和形貌

a）石墨電極制造工藝示意圖。

b，c）一個平面形狀和彎曲形狀的DIMB電池的照片。

d，e）在半壓接狀態和完全壓接狀態下并聯連接的五個DIMBs的照片。

f，g）DIMBs陣列的大規模集成：6S×6P DIMBs的照片，并聯16個DIMB微電池的照片。

圖2 DIMBs的電化學表征

a）DIMB在0.165 mA cm^-2的電流密度下的充放電曲線。

b）DIMB在1C時的dQ/dV微分曲線。

c）DIMB在不同掃描速率下的CV曲線。

d）在1.0 mV s^-1的掃描速率下，DIMB的電容控制電荷的貢獻比。

圖3 DIMBs充電機理的示意圖

a）基于LiPF6電解質的DIMB充電機理的示意圖。

b）非原位拉曼數據以及相應的充放電電壓。

c）在充放電過程中DIMBs陰極的XRD表征。

d，e）DIMB陽極d）和陰極e）中初始和完全充電的石墨的XPS C 2p光譜。

f-h）初始石墨f），充滿電的石墨陽極g），充滿電的石墨陰極h）的HRTEM圖像。

圖4 DIMBs的電化學性能

a）DIMB在1C的低倍率下的循環性能。

b）DIMB在各種電流倍率下的充放電容量。

c）1-5C的DIMB的GCD曲線。

d）與其他市售儲能設備（SC：超級電容器）相比，DIMBs的Ragone圖。

圖5 DIMBs的柔性展示及應用

a）DIMB的GCD曲線是從平坦（0°）到180°測量的。

b）容量與彎曲角度的關系。

c）一個DIMB在彎曲狀態下驅動兩個紅色LED。

d）一個DIMB為十個不同顏色的LED供電，包括藍色（WV* = 3.4 V）、白色（WV* = 3.2 V）、黃色（WV* = 2.2 V）和紅色（WV* = 2.0 V）。

e）小型游戲機（FAMICOM）的照片，該游戲機由一個DIMB放在平面下供電。

f）由一個DIMB（*WV =工作電壓）供電的電致變色眼鏡照片。

圖6?DIMBs的集成化及其電化學性能

a）并聯和串聯的集成DIMB的示意圖。

b，c）在1-3個電池b）并聯和c）串聯的0.165 mA cm-2的DIMBs下測試的GCD曲線。

d）大規模集成20個串聯的DIMBs陣列。

e）在1C時20個DIMB系列的dQ/dV微分曲線。

f）20個DIMB系列的GCD曲線。

【小結】

文章構建了平面柔性可集成DIMB。電化學實驗表明，DIMB具有56.50 mAh cm^-3的超高可逆容量。實現了DIMB在LED、數字電子游戲機、電致變色眼鏡等微器件中的應用。此外，集成了DIMBs的高電壓微型器件可以提供約100 V的放電電壓和102 mAh g^-1（92%）的充電容量。這種雙離子柔性微電池將成為下一代微電子設備以及未來集成電子設備中能源存儲和轉換元件的有力競爭者。

文獻鏈接：The First Flexible Dual‐Ion Microbattery Demonstrates Superior Capacity and Ultrahigh Energy Density: Small and Powerful（Adv. Funct. Mater.，?2020，DOI:10.1002/adfm.202002086）

本文由木文韜翻譯。

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