隨著可穿戴智能設(shè)備在運(yùn)動和醫(yī)療健康等領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)展與之相適應(yīng)的柔性可彎曲電化學(xué)儲能器件成為重要需求。然而，柔性儲能器件一般采用化學(xué)/物理沉積、組裝、微鈉加工等特殊工藝制備，材料的選擇和使用受限制，導(dǎo)致難以兼得柔性器件的比能量和力學(xué)柔性。此外，這些特殊工藝還無法與當(dāng)前商業(yè)化電池/超級電容器的生產(chǎn)過程相兼容，較難實現(xiàn)規(guī)模化制備。

　　近日，中國科學(xué)院電工研究所研究員馬衍偉研究團(tuán)隊在高性能柔性儲能器件制備技術(shù)研究中取得進(jìn)展，通過從材料到器件的協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計，開發(fā)出高比能柔性固態(tài)鋰離子電容器的規(guī)模化制備技術(shù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。

　　該研究采用自蔓延高溫合成方法，快速（秒級）、低能耗、宏量的制備出氮摻雜多級次碳。高氮含量（12%）和一維&二維復(fù)合的多級次結(jié)構(gòu)，使該碳材料作為鋰電負(fù)極時展現(xiàn)出800 mAh/g的可逆比容量。經(jīng)過進(jìn)一步活化，氮雜多級次碳可轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓榭椎牡s碳正極。其高比表面積達(dá)到2356 m²/g，導(dǎo)電率達(dá)15000 s/m，對鋰的比電容為115 mAh/g。基于合成的正、負(fù)極材料和聚合物凝膠電解質(zhì)，制備出具有鋁塑殼封裝（Pouch-cell）的鋰離子電容器。基于正、負(fù)電極材料的能量密度達(dá)到170 Wh/kg，且具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　鋁塑封裝的鋰離子電容器是剛性器件，無法彎折。為了實現(xiàn)柔性，研究人員開發(fā)出對輥壓印技術(shù)，使鋁塑封裝鋰電容形成波浪狀結(jié)構(gòu)。有限元仿真表明，波浪結(jié)構(gòu)提供器件彎折/伸縮的空間，可有效降低器件彎折時的應(yīng)力。原位電化學(xué)測試表明，經(jīng)過數(shù)千次彎折，波浪狀鋰離子電容器的容量幾乎沒有衰減，展現(xiàn)出較好的柔性可彎曲性能。該技術(shù)實現(xiàn)鋁塑電池/超級電容器的柔性化，與常規(guī)制備工藝兼容，并提供規(guī)模化制備柔性儲能器件的方法。

　　該研究與中科院國家納米科學(xué)中心研究員魏志祥研究團(tuán)隊合作完成。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持。

　　論文鏈接 

　　材料合成與器件設(shè)計示意圖、制備的鋁塑鋰離子電容器及其原位柔性測試