中科院理化所饒偉團隊和薛面起團隊Chem. Eng. J.: 基于結構功能一體化設計策略的液態金屬—空氣電池
研究背景
電子系統未來發展的重要趨勢之一是小型化和多功能集成，以支撐和適應復雜環境下多任務、多目標及多模式協同的要求。上述需求對電子系統的體積、重量及功能提出了嚴格要求，需要在材料、器件和系統三方面進行融合思考，從材料創新、系統結構和工藝集成層面進行創新，在減少傳統電子系統的物理尺寸的基礎上實現更多的功能，才能滿足未來電子系統的集成需求。
常規的電子器件往往需要外接電池進行供電，供電系統所要求的空間是不可避免的，尤其在可穿戴式電子系統中，電池元件的體積占比將變得更加明顯。此外，在傳統設計中，核心元件電池一般是獨立的供電系統，與電子系統中其它器件的關聯性較弱，由此導致了電子系統中器件連接的復雜性升高，電子系統體積增大，信號傳輸的可靠性降低。而現有的電池研究工作主要集中于電池容量和充放電性能方面的改善，對集成化電池的研究較少，目前僅針對電池結構的集成進行了探索。需要指出的是，除了結構集成之外，利用電池結構單元獨特的物理化學特性，發展多種器件功能并集成于電池元件中，將有望從根本上解決上述問題。因此，設計和制備結構功能集成電池，對于電子系統的小型化和集成化具有十分關鍵的作用。
成果簡介
近日，中國科學院理化技術研究所饒偉研究員和薛面起研究員（共同通訊作者）等人提出了一種一體化的電池設計策略，將儲能性能、傳感功能和信號轉換功能集成于一體化電池元件中，有效地避免了各個功能元件之間的空間堆疊，以及不同功能器件之間的信號轉換和傳遞，并構建了一種結構集成和功能集成的液態金屬-空氣電池，實現了一體化電池設計策略。利用金屬間潤濕性，制備了液態金屬-改性碳纖維復合負極材料。基于鎵基液態金屬氧化膜對 pH 的敏感性以及堿性材料的吸濕性，賦予了液態金屬-空氣電池儲能、氣體和液體選擇性傳感，以及將環境中物理信號轉換為電位信號進而轉換為數字信號的功能。一體化電池設計策略為電子系統的高效性、集成性、輕量化和小型化的實現提供了新的策略。相關成果以“All-in-One ENERGISER design: Smart Liquid Metal-Air Battery”為題發表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal上。
圖文導讀
圖1. 液態金屬-碳纖維電極制備和液態金屬-空氣電池組裝
(a) 液態金屬-碳纖維電極制備分為兩步進行：碳纖維浸漬液態金屬和復合纖維編織、封裝；
(b) 液態金屬-空氣電池的組裝圖。
圖2. 液態金屬-碳纖維復合材料的電學和力學性質
(a-b) 液態金屬-碳纖維復合材料的電學穩定性分析；
(c-d) 液態金屬-碳纖維復合材料的力學拉伸性能分析。
圖3. 液態金屬-空氣電池的放電性能
(a-b) 液態金屬-空氣電池的線性極化掃描曲線；
(c-d) 電流密度分別為0.5 mA/cm2和2.0 mA/cm2時，液態金屬-空氣電池的長期放電曲線和恒電流放電曲線；
(e) 液態金屬-空氣電池的 Ragone曲線，以及與其它儲能器件的性能對比。
圖4. 液態金屬-空氣電池的氣體傳感性能
(a-b) 液態金屬-空氣電池對濕度的傳感性能分析；
(c) 液態金屬-空氣電池的濕度傳感機理解釋；
(d) 液態金屬-空氣電池對其它氣體的傳感性能分析。
圖5. 液態金屬-空氣電池的液體傳感性能
(a) 液態金屬-空氣電池結構改進；
(b-c) 液態金屬-空氣電池對醇類和去離子水的分辨傳感性能分析。
圖6. 液態金屬-空氣電池的信號轉換性能
(a) 液態金屬-空氣電池的信號轉換性能機理解釋；
(b-c) 液態金屬-空氣電池濕度傳感和信號轉換性能的可視化展示；
(d-g) 液態金屬-空氣電池液體分辨傳感和信號轉換性能的可視化展示。
小結
綜上，本文針對電子系統的小型化和集成化的迫切需求，提出了一種集儲能、傳感、信號轉換功能集成的一體化電池設計方案，同時實現了結構集成和功能集成，這在以往的研究中需要多個元件的集成才能實現，這有利于減少系統體積和電氣連接的復雜性。設計了一種柔性液態金屬-空氣電池，證實了一體化電池設計策略的可行性。液態金屬-空氣電池結構簡單，能量密度和功率密度接近或優于已有的儲能器件。此外，液態金屬-空氣電池還具有對氣體和液體的傳感功能。最后，還可以將外界的物理信號轉換為低電位和高電位信號，并進一步轉換為數字信號。一體化的液態金屬-空氣電池為開發新型功能和高度集成的電子系統提供了新的思路。
文獻鏈接：
All-in-One ENERGISER design: Smart Liquid Metal-Air Battery?(Chemical Engineering Journal, 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.128160)。
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