登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
引言:随着可穿戴电子产品市场的不断增长,柔性和可穿戴式储能装置受到越来越多的关注。纤维形状的电池显示出独特的一维结构,具有优越的灵活性、小型化潜力、对变形的适应性和与传统纺织工业的兼容性,特别有利于可穿戴应用。近年来,在纤维形状电池领域的研究前沿,除了具有更高的性能外,多功能化、可扩展性和可集成系统的发展也是重要课题。然而,依然存在着许多困难,包括封装和隔膜安装困难,电池内阻高,耐久性差等。
【成果简介】
近日,香港城市大学支春义教授综述了纤维状电池的设计原理(如电极制备和电池组装)和器件性能(如电化学和机械性能),包括锂基电池、锌基电池和其他一些有代表性的系统,并重点介绍具有环境适应性、刺激响应性和可扩展性储能纺织品的多功能化器件,希望对未来的研究方向有所启发。最后,还讨论了这些电池在实际可穿戴应用中的技术难点,旨在为进一步改进提供可能的解决方案和新见解。该综述发表在Adv. Mater.上,题目为“An Overview of Fiber-Shaped Batteries with a Focus on Multifunctionality, Scalability, and Technical Difficulties”。
【图文介绍】
1.纤维状电池设计原理——三种纤维状电池构型的示意图
2.纤维状电池研究进展
2.1纤维状电池发展时间表
2.2纤维状锂硫离子电池
2.3纤维状钠基电池
2.4纤维状锌基电池
2.5纤维状锂空气电池
2.6纤维状锌空气电池
3.多功能化与集成系统
3.1防水/火型纤维状电池
3.2形状记忆型与自愈合型纤维状电池
3.3.可打印的纤维状电池
3.4纤维状电池集成化系统
4.从纤维状电池到织物电池
4.2梭织/针织织物电池
以上内容主要介绍了纤维形状电池的设计基础,包括典型的电极、电解质、器件结构和相应的制作方法。然后,详细讨论了不同纤维状电池系统的电极制备、电池组装、电化学性能和柔性评价等方面的前沿研究,并简要介绍了各个步骤的关键成果。多功能性、可扩展性和与其他能源整合的前瞻性探索方向。
此外,文章作者也讨论了纤维形状电池在未来可穿戴应用中面临的主要挑战,并且为所需改进提供可能的解决方案和一些见解。其主要见解如下:作者认为对于纤维形状电池的未来应用,一个有希望的方向是携带一种可充电(微型)电池簇,例如能放置口袋中驱动智能纺织品的结构材料电池系统,因为它们体积小、便携性和适应性强。另一个方向是可穿戴储能纺织品。未来智能织物电池在储能纺织品、结构材料电池或其他替代系统中的选择很大程度上取决于具体情况和要求。尽管纤维形状电池的发展付出了巨大的努力,但在这些基本的可穿戴设备实际可用之前,还需要做很多工作。随着储能纺织品的日益普及,除了电化学性能外,安全性、舒适性、方便性、耐久性等将成为其他主要考虑因素。从我们的角度来看,解决以下几个方面涉及的技术问题对于将来将现有的学术研究成果转化为实际应用至关重要。
1. 细长结构引起的高内阻
这种细长结构的纤维状电池的第一个问题是其内阻。据报道,大多数纤维状的器件都是厘米级的,很少有报道提到它们的电阻。然而,随着电池纤维长度的增加,尤其是当放大纤维在变形状态下工作时,电阻越高对电化学性能的不利影响越明显。电池内阻包括以下几个方面:纤维电极的导电性、电解质与电极之间的界面电阻和电解质的离子导电性。
2. 制造困难
与平面电池相比,纤维状电池的制造工艺要求更为严格和复杂。主要问题在于一维几何结构与分立元件的有限自由运动之间的复杂相互依赖性,特别是考虑到电池的灵活性、适应性和性能的协调时。此外,还应仔细考虑其他挑战,如活性物质溶解、组件间粘附力、电解质泄漏和沉降等。
3. 隔膜设置困难
柔性储能器件通常需要安置隔膜,因为在实际应用中,两个电极接触造成短路的风险很大。使用隔膜是避免这种情况发生的有效策略。但是,与夹层结构的平面电池不同,如何在纤维状结构的电池器件中安置隔膜仍然是个巨大挑战。在实验室研究中,大多数报导的纤维状电池使用聚合物凝胶电解质作为隔膜,但聚合物电解质有限的机械强度仍不足以满足实际要求,尤其是在施加较大变形时,凝胶状的电解质往往难以承受。对于未来的可穿戴应用,安置有效的隔膜能有效保证电池的长期的稳定性,但考虑到纤维状电池的细长结构,如何优化隔膜与其他内层组件间的适应性以适应各种复杂的变形仍然是需要迫切解决的难题。
4. 封装困难
在纤维状电池的实际应用中,有效的封装是必不可少的。与平面器件相比,对于具有高曲率界面的一维纤维状器件而言,尤其是那些必须将空气电极暴露在空气中以进行气体扩散的空气电池来说,封装过程更具挑战性。在封装材料方面,热缩管、聚酯薄膜、硅橡胶等聚合物材料已经广泛应用于柔性封装层,但其对于水蒸气和氧气屏障功能还远远不能令人满意。此外,在纤维状电池集成到穿戴布料或纺织品中之后,它们必须能够经受长期的水洗和汗液渗透。然而,金属负极(例如锂和钠金属线)和有机电解质通常都需要严格的疏水性封装来防止水的侵入,有些文献报道已经尝试了一些封装技术,但没有实施严格而全面的防水性能测试。此外,封装材料极大地增加了纤维状电池的直径,会对灵活性产生了不利影响,因此目前需要更有效的封装策略来实现能像普通衣服那样可清洗的理想的纤维状电池。
5. 尺寸最小化困难
纤维状电池的柔韧性和柔软性很大程度上取决于整个器件的直径。然而,目前报道的纤维状电池的尺寸远不令人满意,因为其复杂的结构由几个必不可少的组件组成,包括电极、电解质和隔膜/封装层,它们的叠加效应不可避免地增加了电池的体积和厚度。此外,器件构型是另一个重要因素。例如,由于同轴型纤维状电池的多层结构,其电池直径往往大于2 mm,相比起来,平行和扭曲结构的纤维状形状电池通常具有相对较薄的直径(约1-2 mm)。尽管如此,与一般直径仅为200-300 μm的织物中的天然/合成纱线相比,现有的纤维形状电池的直径实在太大,远远无法满足大规模梭织/针织的需求,当前技术仍然难以实现能想纯天然/合成织物一样质地致密而柔软的储能纺织品。
6. 机械强度低
目前,对于使用机器的制造工艺研究很少,大多数纤维状器件都是手工制备和编织成纺织品的。基于现有的技术,如何实现纤维状电池的大规模生产,以及如何采用机器梭织/针织方法简便地将纤维状电池编织成透气的储能纺织品,还是个有待解决的难题。梭织/针织技术方面,CCI剑杆梭织机和Stoll针织机通常对纱线施加400-800 MPa的拉伸应力。虽然应力不是很高,但产生的摩擦力也不能忽略。此外,在纤维状电池的研究中,应重视每个纤维状组件的力学性能。对于大多数报道的由石墨烯或碳纳米管基纤维基底制成的纤维状电池,其机械强度(10-2-10-3MPa)远不足能够进行工业化梭织/针织的要求。如果采用高强度的导电金属丝作为纤维集流体,其极差的柔韧性会给编织过程带来很大的困难,金属丝的光滑表面也会导致储能纺织品的内部组件滑移。另外,在梭织/针织过程中,当纤维状电池单元的原始形状不可避免地发生严重变形时,如何保持其电化学性能更是一个重大挑战。
7. 纱线质感难以实现
纤维是制造纺织品的基础单位。成束的长丝或稳定的纤维同轴旋转缠绕一起所形成的线,称为“纱线”,纱线可以进一步梭织/针织成纺织物产品。当纱线的直径不大于10μm时,就会呈现柔软的质地,让穿着的人获得舒适的感受。然而,基于目前的制造技术,要使纤维状电池与天然/合成纤维一样柔软是不可能的,因为纤维状电池通常被凝胶电解质和/或弹性体涂层所覆盖达到封装的目的。现有的纤维状电池的质感更像是塑料线而不是纱线。
8. 缺乏评估机械性能的测试标准
虽然人们已经在电池性能和器件构型的研究方面取得了巨大的进步,但如何公平地比较不同纤维状电池的“柔韧性”和“耐磨性”仍是一个问题。与平面储能器件不同的是,这种长而细的结构在进行机械性能测试时很容易导致纤维状电池和测试夹具之间的滑移。此外,对于传统的电子拉伸机,由于纤维形状电池的机械强度较低,需要更灵敏的应力传感探头。由于这些局限性,大多数报道的工作通常采用简单的弯曲、扭转和拉伸试验来测定纤维状电池的机械柔韧性和耐久性,而并没有获得与模量、拉伸强度等有关的定量数据,这种简单评估显得有些随意。在这里,作者呼吁能够建立一系列系统的标准去评估纤维状电池的机械灵活性和耐久性。
9.安全性问题
在实际的可穿戴应用中,纤维状电池与人体的直接接触是不可避免的,因此,确保这些电池绝对安全是至关重要的。第一个主要的安全问题是有害物质泄漏和毒性问题。例如,一些腐蚀性或易燃的电解质可能会从电池装置中泄漏出来,一些重金属,如含钴电极材料或催化剂,也会对人体有害。因此,目前已经开发出无毒的电极材料和温和的水性电解质以解决这类问题。此外,采用聚合物凝胶或固体电解质代替传统的有机电解质也被认为是避免电解质泄漏的一种有效的解决方案,同时,研究人员还应该注意开发一些防泄漏的封装技术。众所周知,热失控问题一直是大功率非质子系电池的常见问题,特别是在超快速充放电过程或危险条件下(如短路和过充电)容易发生。因此,开发有效的散热机制以避免过热是很重要的,同时还应避免短路问题。
10. 多功能和集成化
多功能化和集成化系统对于扩大纤维状电池的应用范围是至关重要的。例如,就多功能化而言,电致变色,光响应,热响应和低温防冻性能,都已经成功在平面电池或纤维状超电容中实现和优化,但具有这些特殊功能的纤维状电池却缺乏相关报导。一种可能的解释是,由于电池复杂的电化学反应,因此在导电性、透明性、机械强度等相关材料的选择标准对于制备电池来说比超级电容器更为严格。此外,在制造过程中,装配一维纤维状器件比装配二维夹层结构器件要困难得多,因此,大多数改进式尝试都是首先在平面器件上进行的。在未来的研究中,期待人们下一步能够将已积累的经验和技术引入到多功能化纤维状电池的领域当中。另外,纤维状电池与其他系统(如能量转换器件,自供电发电机和传感器)的集成是未来一个非常有前景的研究方向。与通过简单的连接实现储能与集能的切换功能的集成装置相比,将一维储能组件与集能组件集成在一个器件内,可同时实现双重功能。然而,构建这样一个一体化器件是非常复杂的,需要研究者深入了解不同领域的科学和技术相互交叉的工作机制,还需要对于器件组装、组件兼容性和能源管理的精心设计。
【小结】
综上所述,纤维形状储能电池领域在近几年来发展迅速,取得了巨大的成就,在实际的可穿戴应用中显示出巨大的前景。因此,该综述论文从电极制备、新颖的结构设计、电化学性能和柔性评价等方面综述了至今为止纤维状电池系统所取得的关键性进展。研究者们将继续致力于追求更高的电化学性能,探索新材料、有效的制备策略和降低其生产成本。此外,从普通纤维状电池到实现具有高性能、生物相容性和穿着舒适性储能纺织品的大规模生产化,对可穿戴应用具有重大意义。更重要的是,通过对新型智能功能材料的优化,将其与基本纤维状结构的巧妙配合,可以实现器件的多功能化,从而有效地拓宽这些一维纤维状电池的应用范围。当然,特殊功能和电化学性能有时可能不能同时在一个器件中得到最佳效果,在这种情况下,两者间需要达到一个平衡。纤维状电池与其他系统(如光电转换系统、纳米发电机和医疗传感器等)的集成化,可以为消费者带来更高的应用价值,并可能在未来的研究领域带来技术性革命。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星储能网获悉,4月18日,深圳燃气集团兆瓦时级全钒液流电化学备用电源设备购销公开招标采购公告发布。公告显示,该项目采购单位为深圳市燃气集团股份有限公司,采购控制价为3952820.35。项目招标范围为250kW/1MWh全钒液流电池系统货物及相应的配套设施、综合能源管理系统液流电池储能单元以及应用
北极星储能网讯,4月18日,骆驼股份发布2023年年度报告。营业收入为14078852383.69元人民币。根据报告显示,骆驼股份汽车低压铅酸电池产量及销量均保持增长,全年累计生产3523万KVAH,同比增长10.98%,全年累计销售3460万KVAH,同比增长7.45%。汽车低压锂电池产品有12V新能源汽车辅助电池、24V驻车空调
中国驻佛得角共和国大使馆经济商务处消息,据佛得角政府网站报道,佛得角政府于4月5日与佛得角风电公司Cabeólica举行风电场扩建项目合同签约仪式。该项目预算约为50亿埃斯库多,涉及在圣地亚哥岛风电场安装风力涡轮机,将其产能由9兆瓦提高至22兆瓦,并在圣地亚哥岛和萨尔岛分别安装9兆瓦/5兆瓦时和6
北极星储能网获悉,4月16日,河南淅川县福森新能源储能公司年产10GWh储能电池项目已建成并成功试产。福森储能项目是河南省内首个全产业链储能系统产业基地,全面投产后,各类电池产品年生产能力将提升至13GWh,年装配产能可达6GWh,光伏发电在满足生产所需的同时,剩余部分可并网出售,年可实现产值120
北极星储能网讯,4月13日,亿纬锂能发布2023年年度报告。根据报告显示,报告期内,亿纬锂能实现营业总收入4878358.72万元,同比增长34.38%,其中动力电池出货28.08GWh,实现营业收入2,398,386.85万元,同比分别增长64.22%、31.41%;储能电池出货26.29GWh,实现营业收入1,634,020.96万元,同比分别增长1
全球领先的连接和电源解决方案供应商Qorvo于4月11日在京顺利举办以“春光作序,万物更‘芯’”为主题的媒体日。Qorvo依托强大的技术能力以及对于市场动态的捕捉,为业内以及消费者提供多样的技术应用与创新,深入到移动通讯、基础设施、电源管理、物联网、汽车电子、消费电子等多个应用领域。此次活动Q
北极星储能网讯,4月17日,华中数控发布关于子公司签订海外项目合同的公告。根据公告显示,其控股子公司常州华数锦明智能装备技术研究院有限公司(以下简称“常州华数锦明”)与客户J及其关联主体1签订了《设备供应及技术服务合同》及《设备供应及安装合同》。华数锦明拟向英国客户销售软包电池模组装
北极星储能网获悉,据新源智储消息,4月11日,新源智储与中创新航科技股份有限公司(以下简称“中创新航”)举行战略合作协议签署仪式。根据协议内容,新源智储与中创新航建立产业合作与项目合作伙伴、技术合作伙伴、海外合作伙伴关系。双方将充分发挥各自在储能技术和动力电池领域的专业优势,共同推
北极星储能网讯,4月17日,万华化学发布关于全资子公司受让安纳达部分股权收到《深圳证券交易所上市公司股份协议转让确认书》的公告,按照规定转让双方需在未来六个月内办理转手让股份过户登记。2月26日,万华化学全资子公司万华电池与铜化集团签署《安徽安纳达钛业股份有限公司股份转让协议》,万华电
17日从特斯拉中国获悉,特斯拉上海储能超级工厂计划于今年5月开工,并于2025年第一季度完成量产,这是特斯拉在美国本土以外的首个储能超级工厂项目。据悉,特斯拉上海储能超级工厂将生产超大型商用储能电池Megapack,该产品基于一体化系统集成和模块化设计,帮助电网运营商、公用事业公司等更高效地存
北极星储能网获悉,据中宏网新疆消息,4月15日,新疆久辰新材料科技有限公司总投资40亿元年产10万吨磷酸锰铁锂正极材料建设项目在新疆伊犁哈萨克自治州霍城县新材料产业园开工奠基。据了解,项目一期于2024年4月开工建设,计划年底建成2条磷酸锰铁锂生产线并投产;二期计划2025年建成2条磷酸锰铁锂生产
国内新能源储能器件隔膜开发商「柔创纳科」于近日再次获得数千万元A2轮投资,投资方为中金传化基金。这是公司继2022年底完成金鼎资本数千万元A1轮融资后,不到半年时间内第二次获得知名机构加持。截止本轮融资后,柔创纳科已累计完成五轮融资,融资总额接近壹亿元。本轮融资主要用于超级电容隔膜产能的
据巨湾技研微信公众号消息,2月8日,“巨湾技研储能器件与系统生产基地”主体结构在广州市南沙区正式开工。巨湾技研储能器件与系统总部及生产基地项目位于广州市南沙区南沙大道东涌段东侧,占地面积约18.9万平方米,建筑面积约22.23万平方米,建设内容包含电芯生产车间、电池安全实验车间、试验车间、
北极星储能网获悉,近日,深圳市工业和信息化局发布关于有关项目验收结果公示的通知,用于柔性印刷电子的石墨烯基材料与含储能器件研发、高品质石墨烯和新型二维材料的规模化制备关键技术及其电子与光电器件应用研发、石墨烯基超级电容器电极材料的开发和工程化示范验收合格,石墨烯基复合碳负极材料的
2021年1月18日,今朝时代与深圳清华大学研究院举行了科研合作签约仪式。深圳清华大学研究院常务副院长刘伟强、先进储能材料及器件实验室常务副主任徐永进、新能源与环保技术研究所所长陈建军、先进储能材料及器件实验室副主任王臣,以及今朝时代董事长张俊峰先生、常务副总经理杨国庆先生出席了合作签
主讲嘉宾:苏方远,中国科学院炭材料重点实验室、中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员,主要研究领域包括新型电化学储能器件体系及工艺开发、碳材料电化学过程模拟、基于多孔电极理论的储能器件仿真、机器学习在储能器件开发中的应用等。作为负责人及执行负责人完成和主持国家、山西省和国内外企业委
苏方远,中国科学院炭材料重点实验室、中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员,主要研究领域包括新型电化学储能器件体系及工艺开发、碳材料电化学过程模拟、基于多孔电极理论的储能器件仿真、机器学习在储能器件开发中的应用等。作为负责人及执行负责人完成和主持国家、山西省和国内外企业委托项目十余
苏方远,中国科学院炭材料重点实验室、中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员,主要研究领域包括新型电化学储能器件体系及工艺开发、碳材料电化学过程模拟、基于多孔电极理论的储能器件仿真、机器学习在储能器件开发中的应用等。作为负责人及执行负责人完成和主持国家、山西省和国内外企业委托项目十余
摘要:随着高性能储能装置的快速发展,电化学储能材料要求拥有更高的容量,更高的性能和超长的循环寿命。为了达到这样的要求,需要开发新的电极材料和能量系统。基于石墨炔的材料的研究不但丰富了碳材料的家族成员,在储能领域也显示出巨大的发展潜力。(来源:微信公众号“MaterialsViews”ID:materi
微型化与自供电电子系统的快速发展与高度集成化,迫切需要开发电化学微型储能器件,主要包括微型电池和微型超级电容器。其中,平面化微型电池和微型超级电容器因能直接在单一基底上与微电子器件集成,可成为独立的或补充的微电源,引起了广泛关注。近日,中科院大连化物所研究员吴忠帅与中国科学院院士
在各种储能技术中,电化学储能具有更高的效率、更长的循环寿命、更低的成本以及更好的可持续性等优势,已显示出巨大的前景。近来,锂离子电池已成为电化学储能装置的主流,然而由于锂资源稀缺、价格高昂和安全问题,仍需寻找更好的替代品。钠离子电池、钾离子电池和多价电池的研究也正在进行中,但仍然
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!