纤维结构锂硫电池研究及系统集成应用

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随着5G等高新科技的出现,新一代移动智能终端朝着更能满足人机交互的可穿戴智能设备方向发展。对于智能设备而言,其能源系统应满足体积小、柔性高、容量大、输出稳定等要求。锂硫电池作为一种价格低廉,环境友好的二次电池,拥有较大的理论能量密度(2500 Wh/kg),十分契合智能设备对于能源系统的要求。由于锂硫电池的纤维化以及“穿梭效应”等问题,目前对于锂硫电池小型化、柔性化的研究主要集中在平面结构上,对于更高柔性的纤维结构研究较少。因此,对锂硫电池的纤维化是目前亟待解决的新领域。针对以上问题,本论文首先通过纤维电极表面沉积金属锂以及熔融扩散法负载单质硫等方法,制备了纤维结构的负极和正极,且两极的容量均达到锂硫电池容量标准。其次,提出了一种准固态电解质的方案,用于抑制纤维结构锂硫电池放电过程中严重的“穿梭效应”。最后,结合刺绣编织等传统的织造工艺,在普通织物基底上集成一种可持续供能、输出稳定、反应灵敏的自供电无线传感织物。本论文的研究内容主要分为如下几个方面:(1)基于纤维负极的金属锂沉积。在前期电沉积金属锰的实验基础上,提出以电沉积金属锂的方法制备纤维结构的负极材料。通过在0.1 mm铜丝表面进行电沉积,成功制备出了锂厚度为10μm的纤维结构Li/Cu电极。这种设计不仅减少了纤维电池的体积以及金属锂用量,并且铜丝集流体更有利于金属锂在剥离/嵌入过程中的稳定性。以纤维结构的Li/Cu电极制备的锂硫电池首圈放电性能能够达到175m Ah/g。(2)基于纤维正极的熔融扩散法制备纤维电极。利用单质硫的升华特性,将高比表面积的碳基材料与单质硫共置于反应釜内进行活性物质的负载。该材料活性物质负载量能够达到70 wt%,且具有良好的导电性,在0.1 m A的恒定电流下,其放电比容量能够达到750 m Ah/g。(3)适用于纤维结构的准固态电解质方案。提出以准固态电解质作为纤维电池电解质的解决方案。在离子导电聚合物方面选择了可塑性最好,抑制多硫化物最佳的PEO。与商用隔膜相比,PEO在24 h内对多硫化物的抑制效果更明显。随后通过对同轴结构纤维电池的组装,能够将纤维锂硫电池的容量保持率在20个循环圈后继续保持18.7%。(4)柔性自供电系统的集成及应用。通过传统的刺绣技术,将纤维结构能源器件与纤维结构传感器件等电子元件在普通织物基底上进行集成,制作出了一种输出稳定、反应灵敏的无线传感柔性自供电系统。该织物在弯曲、水洗、折叠等情况下均能保持稳定的输出,并且可以对不同大小、方向的震动进行反馈并发送信号。综上所述,此项技术在运动监测、野外探查、灾害预警等多个方面具有广泛的应用前景,得到研究者和智能化产业的广泛关注。
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