一支來自上海復旦大學的科研團隊日前研發(fā)了一款可伸縮線型鋰離子電池，該創(chuàng)新科技利用兩個定向多層壁碳納米管/氧化鋰復合絲線作為電池組的陽極和陰極材料，而且不額外使用集電器以及粘結劑。正如這支科研團隊發(fā)表在《應用化學》雜志上的論文所言，新型電池可以編織成輕量化、易彎曲、有彈性、安全可靠的織物結構，并且擁有很高的能量密度等級。
兩根復合絲線配合使用，可以得到可靠性高的電池組，能量密度達到27瓦時/千克或者17.7毫瓦時/立方厘米，功率密度達到880瓦/千克或者 0.56瓦/立方厘米，這些數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)鋰離子薄膜電池反映數(shù)據(jù)有著數(shù)量級上的提高。線型電池彎曲能力強且重量較輕，經(jīng)過100次彎曲測試后儲電能力可以保留新產(chǎn)品的97%。
得益于改進的彈簧結構，線型電池彈性出眾;經(jīng)受200次強度達到100%的拉伸測試，儲電性能僅僅降低16%。創(chuàng)新的線型電池已經(jīng)被開發(fā)成了可拉伸的織物式電池組，未來很有可能得到廣泛應用。先前生產(chǎn)線型電化學超級電容器的方法為把兩個纖維電極纏繞在一起，但是整個系統(tǒng)的性能表現(xiàn)較差，最終也沒能成功推廣到市場中。
鋰離子電池組可以有效地提高能量密度，但是之前的設計并沒有考慮過導線的形式。除了效能結構上的難題，鋰離子電池的安全問題也是一個重要影響因素：電池在過度充電時，材料鋰會形成樹枝狀結構，有可能穿透陽極，造成整個供電系統(tǒng)的短路，最終引起電池的自燃。這個問題對于線型電池構造顯得更為嚴重，因為使用過程中的拉伸、纏繞和彎曲更容易造成短路。
0.05毫安電流條件下進行100次充放電測試，1厘米線型電池顯示的電能容量保持能力和庫侖效率
解決安全性問題
復旦大學的這支科研團隊成功解決了該安全性問題，研發(fā)出了高能量密度的線型鋰離子電池，而其中的核心技術為一種特殊的結構以及使用的材料。陽極和陰極室兩根處于平行位置的多層壁碳納米管纖維，其中一個含有鈦酸鋰(LTO)顆粒，另一個含有錳酸鋰(LMO)顆粒。由于平行的納米結構和超高導電能力，制造過程不需要使用任何集電器和粘結劑。
電池充電過程中，鋰離子從錳酸鋰晶格移動到電解液中，最終到達陽極的鈦酸鋰晶格中;電池放電過程中，鋰離子的運動方向剛好相反。鈦酸鋰復合電極的應用，使得單質(zhì)鋰和鋰離子之間的轉化發(fā)生在電壓1.5伏左右，因此樹枝狀鋰結構生成的概率很小，不會造成短路的發(fā)生，從而電池安全性得到保障。
連續(xù)碳納米管的平行排列設計可以最大程度上控制納米粒子，并且為電荷傳輸提供了一條有效路徑，充當了集電器的作用。兩條電極絲線成平行分布，由一個絕緣物層分離，并被包裹在一個熱收縮管中。為了讓線型電池富有彈性，包裹材料可以使用像聚二甲硅氧烷這類彈性纖維，并涂抹一薄層膠狀電解液。這樣的話，不管是長度拉伸到原來的一倍，或者環(huán)繞成各種各樣的圓圈，都不會引起電池容量的降低。
線型電池能夠被生產(chǎn)為很長的纖維，再加工成織物結構，最終以紡織品的形式出現(xiàn)。
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