充電機(jī)充電空氣電池研究進(jìn)展、挑戰(zhàn)和展望
2017-9-17 9:30:53??????點(diǎn)擊：
【導(dǎo)言】
跟著柔性和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，柔性儲(chǔ)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(jī)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(shè)備的續(xù)航時(shí)刻，需求儲(chǔ)能系統(tǒng)有著更高的能量密度。可循環(huán)充放電的充電機(jī)充電金屬空氣電池因?yàn)槠溥h(yuǎn)高于現(xiàn)在充電機(jī)充電鋰離子電池的理論能量密度，被認(rèn)為是將來最具有前景的儲(chǔ)能設(shè)備。開發(fā)充電機(jī)充電柔性金屬空氣電池?zé)o疑將極大進(jìn)步柔性和可穿戴電子設(shè)備的續(xù)航才能，可是也需求處理更多的應(yīng)戰(zhàn)。一方面，充電機(jī)充電電池的能量密度、能量功率以及循環(huán)壽數(shù)都需求進(jìn)步；另一方面，電極結(jié)構(gòu)、電解液資料以及充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)都需求進(jìn)行優(yōu)化，以在形變條件下堅(jiān)持安穩(wěn)的電化學(xué)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(xué)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(xué)及澳大利亞科廷大學(xué)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(jī)充電鋅空氣電池和充電機(jī)充電鋰空氣電池為主的充電機(jī)充電柔性金屬空氣電池的結(jié)構(gòu)規(guī)劃、電極及電解質(zhì)資料開發(fā)以及運(yùn)轉(zhuǎn)條件辦理方面的發(fā)展，并對未來研討方向進(jìn)行了探討和展望。
一、概述
相比于充電機(jī)充電鋰離子電池，充電機(jī)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(jī)充電鋅空氣電池和有機(jī)系統(tǒng)的充電機(jī)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(jī)充電電池的作業(yè)原理如圖2所示。當(dāng)將充電機(jī)充電電池制備成柔性，需求規(guī)劃新的柔性結(jié)構(gòu)，制備柔性的電極資料和固態(tài)電解質(zhì)膜，然后面臨更多的應(yīng)戰(zhàn)。
圖1 不同充電機(jī)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(jī)充電堿性系統(tǒng)鋅空氣電池和非水系統(tǒng)充電機(jī)充電鋰空氣電池的作業(yè)原理示意圖
二、充電機(jī)充電柔性電池結(jié)構(gòu)及測驗(yàn)
現(xiàn)在，在柔性鋅空和鋰空充電機(jī)充電電池中廣泛選用的充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)是將柔性正極、電解質(zhì)膜和負(fù)極疊加組成的三明治結(jié)構(gòu)。另一種則是選用線狀的金屬電極，在外表順次包裹電解質(zhì)層和空氣電極層組成管狀結(jié)構(gòu)。此外，還有一些新的結(jié)構(gòu)，例如能夠折疊的充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)和受竹簡啟示制成的柔性超簡便充電機(jī)充電鋰空氣電池。
針對充電機(jī)充電柔性電池的測驗(yàn)除了慣例充電機(jī)充電電池中的充放電和循環(huán)壽數(shù)測驗(yàn)，在外力下的安穩(wěn)性至關(guān)重要。首要包含曲折、歪曲不同的視點(diǎn)下和拉伸不同長度下的電化學(xué)安穩(wěn)性以及在長時(shí)間疲憊下的功能堅(jiān)持性。
三、金屬電極
在柔性空氣充電機(jī)充電電池中一般直接運(yùn)用金屬片作為電極。可是金屬片在長時(shí)間曲折中可能呈現(xiàn)疲憊失效。在柔性鋅空充電機(jī)充電電池中，有將金屬粉末和粘結(jié)劑、導(dǎo)電碳粉組合構(gòu)成復(fù)合電極，進(jìn)步了電極的柔性和安穩(wěn)性。在柔性鋰空充電機(jī)充電電池中，有將金屬鋰和不銹鋼網(wǎng)滾壓在一起，以進(jìn)步金屬電極抗疲憊性。另外，為了完成充電機(jī)充電柔性電池必定的拉伸性，能夠?qū)⒔饘匐姌O制成繃簧狀，或許將多片小塊的金屬聯(lián)組成一個(gè)完好電極，經(jīng)過“化整為零”滿意拉伸的需求。
四、電解質(zhì)膜
在充電機(jī)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(zhì)作為充電機(jī)充電電池的電解質(zhì)膜。在柔性充電機(jī)充電鋰空氣電池中，電解質(zhì)膜首要包含凝膠、固體和復(fù)合聚合物電解質(zhì)膜。為了完成充電機(jī)充電柔性電池杰出的電化學(xué)功能，除了要求電解質(zhì)膜具有杰出的電導(dǎo)率、化學(xué)和電化學(xué)安穩(wěn)性等傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的性質(zhì)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(zhì)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(guān)于電解質(zhì)膜-空氣電極界面來說，固體電解質(zhì)大大減少了有用反響界面。關(guān)于充電機(jī)充電鋰空氣電池來說，因?yàn)楫a(chǎn)品是固態(tài)的過氧化鋰，進(jìn)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(jī)充電電池曲折或歪曲的過程中，因?yàn)殡姌O和電解質(zhì)膜力學(xué)性質(zhì)的不同，可能會(huì)導(dǎo)致電極和電解質(zhì)膜的分離。如何保持界面的安穩(wěn)是確保充電機(jī)充電電池得以長時(shí)間安穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的要害。
五、空氣電極
空氣電極作為充電機(jī)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(jī)充電電池的快速充放電；另一方面，需求有適宜的結(jié)構(gòu)確保氧氣的傳輸。在充電機(jī)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(wǎng)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(wǎng)、鎳網(wǎng)構(gòu)成的電極；四、其他一些新式柔性電極。
六、運(yùn)轉(zhuǎn)辦理
一般，充電機(jī)充電鋅空氣電池直接在空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)，而充電機(jī)充電鋰空氣電池在氧氣中運(yùn)轉(zhuǎn)。而運(yùn)轉(zhuǎn)條件會(huì)嚴(yán)重影響充電機(jī)充電電池的功能。首要，空氣中的水分會(huì)影響電解質(zhì)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(jī)充電鋅空氣電池中會(huì)構(gòu)成碳酸鹽，影響電解質(zhì)的電導(dǎo)率；在充電機(jī)充電鋰空氣電池中構(gòu)成固體副產(chǎn)品碳酸鋰，影響充電機(jī)充電電池的充電功能。其次，充電機(jī)充電電池功能一般是在室溫環(huán)境下測驗(yàn)的，而在實(shí)際運(yùn)用時(shí)溫度卻有著較大的改變。例如在可穿戴設(shè)備上，因?yàn)楹腿梭w觸摸，充電機(jī)充電電池的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度可能會(huì)提升至三十度或許更高。而在不同的時(shí)節(jié)和區(qū)域，溫度的改變將會(huì)更大。因而，未來的充電機(jī)充電電池測驗(yàn)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(jié)與展望
近年來，在充電機(jī)充電柔性金屬空氣電池上取得了一系列發(fā)展，充電機(jī)充電電池的能量密度、功率以及循環(huán)壽數(shù)都有了大幅的提示。未來的研討需求進(jìn)一步處理下列問題：一、新式的充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)規(guī)劃，滿意各種形變條件下堅(jiān)持安穩(wěn)的電化學(xué)功能；二、評價(jià)規(guī)范的樹立，將充電機(jī)充電電池功能的查核目標(biāo)規(guī)范化，例如根據(jù)一致的質(zhì)量或體積，規(guī)則公認(rèn)的柔性測驗(yàn)規(guī)范（例如曲折和歪曲視點(diǎn)、拉伸長度、疲憊測驗(yàn)等）；三、柔性組件的開發(fā)，包含金屬和空氣電極、電解質(zhì)膜、集流體以及封裝資料等；四、運(yùn)轉(zhuǎn)條件的辦理，確保在不同條件下都能供給安穩(wěn)的電化學(xué)功能。
總而言之，未來的研討需求選用試驗(yàn)在線監(jiān)測與數(shù)值模仿等多種技術(shù)手段相結(jié)合的方法，明晰地說明在充電機(jī)充電電池運(yùn)轉(zhuǎn)中的物質(zhì)傳輸、結(jié)構(gòu)改變和電化學(xué)反響之間的聯(lián)系，為合理規(guī)劃充電機(jī)充電電池供給重要的指導(dǎo)。
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