在蓬勃發展的柔性電子技術市場推動下,高比能柔性儲能器件的開發已成為當前研究領域的前沿和熱點課題。作為柔性儲能器件的重要組成部分,集流體在儲能器件中承擔著電子傳輸和機械支撐的重要作用,是影響儲能特性與機械柔性的關鍵基體單元。因此,在保障機械強度與導電性的前提下,研制兼具輕質和高機械柔性的新一代集流體是開發高比能柔性儲能器件的根本所在。
近日,香港理工大學鄭子劍教授團隊成功研發出了一種兼具輕質和高機械強度的柔性“金屬化玻璃纖維織物(MGFs)”,該新型導電織物可通過“卷對卷工藝”實現規模化制備,且其關鍵技術參數均已達到柔性集流體的實際應用標準。具體而言,所研制MGFs的方阻小于0.05 Ohm sq-1,完全滿足商業化集流體的指標需求;其拉伸強度為168 MPa,約為商用碳布的20倍;在曲率半徑為2 mm的條件下連續彎折10萬次,其面電阻無明顯上升,展現出優異的電化學活性和機械穩定性。此外, MGFs的面密度為2.9~3.2 mg cm-2, 僅為商業化銅箔面密度的40%;厚度為20 μm,僅為碳纖維布厚度的9%。輕質的特性可降低儲能器件約10%的重量,提升器件9~18%的能量密度。
研究要點概述:
圖1.(a)MGF和基于MGFs的柔性鋰離子電池和鋰金屬電池制備示意圖;(b-e)MGFs的光學照片及掃描電子顯微鏡照片;(f-h)MGFs的機械強度、機械柔韌性和防火特性性展示。
圖2. 基于CuGF的石墨負極與基于商業化銅箔的石墨負極的電化學儲能性質對比圖。
圖3. (a-d)基于AgCuGF集流體的鋰金屬負極形貌圖;(e-g)基于AgCuGF、CuGF、和商業化銅箔集流體的鋰金屬負極電化學性能對比圖。
最后,研究人員設計了基于鎳金屬鍍層的MGFs集流體,并以商業化鈷酸鋰為活性材料制備了柔性正極,并通過與Li/AgCuGF相匹配構筑了柔性鋰金屬電池。基于MGFs集流體的柔性鋰金屬電池展現出1.5 mAh cm-2的面容量和較好的循環穩定性(平均容量保持率高達99.82%)。并且,此柔性鋰金屬電池在曲率半徑為5 mm和2 mm下分別彎曲500次后,電池容量保持率仍高于83%。
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211748
通訊作者簡介
鄭子劍博士,香港理工大學應用生物及化學科技學系(ABCT), 智慧能源研究院、智能可穿戴研究院教授。2003年獲得清華大學化學工程系工學學士學位,2007年獲得劍橋大學化學系博士學位,2008-2009年在美國西北大學Mirkin教授課題組從事博士后研究;2009年加入ITC擔任助理教授并成立獨立課題組,2013年破格晉升為終身副教授,2017年晉升為教授,2023年晉升為講席教授。
研究方向主要包括柔性電子、微納制造、高分子智能材料、能源轉化與存儲。迄今已在包括Science、Nature Materials、Nature Communication、Advanced Materials、JACS、Angew Chem等高水平SCI期刊發表學術論文190余篇;申請專利25項。創辦Wiley綠色能源環境領域的先進材料期刊《EcoMat》并擔任主編,亦擔任Advanced Materials和Small的客座編輯,以及Advanced Energy Materials的顧問委員會成員。2018年當選香港青年科學院創院院士,2020年當選長江講座教授,2021年當選香港研資局高級研究學者。
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