充電機充電空氣電池研究進展、挑戰(zhàn)和展望
2017-9-17 9:30:53??????點擊：
【導言】
跟著柔性和可穿戴電子設備的發(fā)展，柔性儲能器件吸引了科研界及工業(yè)界的廣泛重視。近年來，環(huán)繞柔性充電機充電鋰離子電池和超級電容器開展了一系列作業(yè)，而且取得了重要發(fā)展。然而，為了延伸電子設備的續(xù)航時刻，需求儲能系統(tǒng)有著更高的能量密度。可循環(huán)充放電的充電機充電金屬空氣電池因為其遠高于現(xiàn)在充電機充電鋰離子電池的理論能量密度，被認為是將來最具有前景的儲能設備。開發(fā)充電機充電柔性金屬空氣電池無疑將極大進步柔性和可穿戴電子設備的續(xù)航才能，可是也需求處理更多的應戰(zhàn)。一方面，充電機充電電池的能量密度、能量功率以及循環(huán)壽數都需求進步；另一方面，電極結構、電解液資料以及充電機充電電池結構都需求進行優(yōu)化，以在形變條件下堅持安穩(wěn)的電化學功能。
2017年9月14日，Energy Environ. Sci.期刊在線宣布了由香港理工大學倪萌教授課題組談鵬博士（榜首作者）聯(lián)合美國佐治亞理工劉美林教授、南京工業(yè)大學及澳大利亞科廷大學邵宗平教授編撰的總述論文“Flexible Zn- and Li-Air Batteries: Recent Advances, Challenges, and Future Perspectives”。文章介紹近年來以充電機充電鋅空氣電池和充電機充電鋰空氣電池為主的充電機充電柔性金屬空氣電池的結構規(guī)劃、電極及電解質資料開發(fā)以及運轉條件辦理方面的發(fā)展，并對未來研討方向進行了探討和展望。
一、概述
相比于充電機充電鋰離子電池，充電機充電金屬空氣電池有著極高的理論容量和能量密度而引起了廣泛的研討重視，如圖1所示。其間，堿性系統(tǒng)的可充電充電機充電鋅空氣電池和有機系統(tǒng)的充電機充電鋰空氣電池作為水系和非水系系統(tǒng)的典型代表更是近期研討的熱門。充電機充電電池的作業(yè)原理如圖2所示。當將充電機充電電池制備成柔性，需求規(guī)劃新的柔性結構，制備柔性的電極資料和固態(tài)電解質膜，然后面臨更多的應戰(zhàn)。
圖1 不同充電機充電金屬空氣電池的容量、能量密度和電壓比照
圖2 充電機充電堿性系統(tǒng)鋅空氣電池和非水系統(tǒng)充電機充電鋰空氣電池的作業(yè)原理示意圖
二、充電機充電柔性電池結構及測驗
現(xiàn)在，在柔性鋅空和鋰空充電機充電電池中廣泛選用的充電機充電電池結構是將柔性正極、電解質膜和負極疊加組成的三明治結構。另一種則是選用線狀的金屬電極，在外表順次包裹電解質層和空氣電極層組成管狀結構。此外，還有一些新的結構，例如能夠折疊的充電機充電電池結構和受竹簡啟示制成的柔性超簡便充電機充電鋰空氣電池。
針對充電機充電柔性電池的測驗除了慣例充電機充電電池中的充放電和循環(huán)壽數測驗，在外力下的安穩(wěn)性至關重要。首要包含曲折、歪曲不同的視點下和拉伸不同長度下的電化學安穩(wěn)性以及在長時間疲憊下的功能堅持性。
三、金屬電極
在柔性空氣充電機充電電池中一般直接運用金屬片作為電極。可是金屬片在長時間曲折中可能呈現(xiàn)疲憊失效。在柔性鋅空充電機充電電池中，有將金屬粉末和粘結劑、導電碳粉組合構成復合電極，進步了電極的柔性和安穩(wěn)性。在柔性鋰空充電機充電電池中，有將金屬鋰和不銹鋼網滾壓在一起，以進步金屬電極抗疲憊性。另外，為了完成充電機充電柔性電池必定的拉伸性，能夠將金屬電極制成繃簧狀，或許將多片小塊的金屬聯(lián)組成一個完好電極，經過“化整為零”滿意拉伸的需求。
四、電解質膜
在充電機充電柔性鋅空氣電池中，首要選用陰離子交流膜和堿性凝膠電解質作為充電機充電電池的電解質膜。在柔性充電機充電鋰空氣電池中，電解質膜首要包含凝膠、固體和復合聚合物電解質膜。為了完成充電機充電柔性電池杰出的電化學功能，除了要求電解質膜具有杰出的電導率、化學和電化學安穩(wěn)性等傳統(tǒng)液體電解質的性質外，與金屬和空氣電極的界面問題是需求處理的難題。
對電解質膜-金屬電極界面來說，需求戰(zhàn)勝枝晶及外表鈍化的問題。關于電解質膜-空氣電極界面來說，固體電解質大大減少了有用反響界面。關于充電機充電鋰空氣電池來說，因為產品是固態(tài)的過氧化鋰，進一步加重了反響面積的衰減。然后，需求有用的方法來增加反響界面。
此外，在充電機充電電池曲折或歪曲的過程中，因為電極和電解質膜力學性質的不同，可能會導致電極和電解質膜的分離。如何保持界面的安穩(wěn)是確保充電機充電電池得以長時間安穩(wěn)運轉的要害。
五、空氣電極
空氣電極作為充電機充電金屬空氣電池的重要組件，一直是研討的熱門。一方面，需求有用的催化劑完成充電機充電電池的快速充放電；另一方面，需求有適宜的結構確保氧氣的傳輸。在充電機充電柔性電池中，更需求電極具有杰出的柔韌性滿意形變的需求。現(xiàn)在，首要的柔性電極包含：一、以碳布或許碳纖維編制的網組成的電極；二、以納米碳資料（如碳納米管、石墨烯）組成的如碳納米管紙、石墨紙電極；三、金屬基體如不銹鋼網、鎳網構成的電極；四、其他一些新式柔性電極。
六、運轉辦理
一般，充電機充電鋅空氣電池直接在空氣中運轉，而充電機充電鋰空氣電池在氧氣中運轉。而運轉條件會嚴重影響充電機充電電池的功能。首要，空氣中的水分會影響電解質膜的安穩(wěn)性，而空氣中的二氧化碳有著更大的影響：在充電機充電鋅空氣電池中會構成碳酸鹽，影響電解質的電導率；在充電機充電鋰空氣電池中構成固體副產品碳酸鋰，影響充電機充電電池的充電功能。其次，充電機充電電池功能一般是在室溫環(huán)境下測驗的，而在實際運用時溫度卻有著較大的改變。例如在可穿戴設備上，因為和人體觸摸，充電機充電電池的運轉溫度可能會提升至三十度或許更高。而在不同的時節(jié)和區(qū)域，溫度的改變將會更大。因而，未來的充電機充電電池測驗需求更具體的考察在不同氣體空氣和溫度下的安穩(wěn)性，而且選用適宜的辦理辦法。
七、總結與展望
近年來，在充電機充電柔性金屬空氣電池上取得了一系列發(fā)展，充電機充電電池的能量密度、功率以及循環(huán)壽數都有了大幅的提示。未來的研討需求進一步處理下列問題：一、新式的充電機充電電池結構規(guī)劃，滿意各種形變條件下堅持安穩(wěn)的電化學功能；二、評價規(guī)范的樹立，將充電機充電電池功能的查核目標規(guī)范化，例如根據一致的質量或體積，規(guī)則公認的柔性測驗規(guī)范（例如曲折和歪曲視點、拉伸長度、疲憊測驗等）；三、柔性組件的開發(fā)，包含金屬和空氣電極、電解質膜、集流體以及封裝資料等；四、運轉條件的辦理，確保在不同條件下都能供給安穩(wěn)的電化學功能。
總而言之，未來的研討需求選用試驗在線監(jiān)測與數值模仿等多種技術手段相結合的方法，明晰地說明在充電機充電電池運轉中的物質傳輸、結構改變和電化學反響之間的聯(lián)系，為合理規(guī)劃充電機充電電池供給重要的指導。
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