近年來隨著可穿戴設備的不斷髮展, 柔型鋰離子電池的市場需求也在不斷擴大, 但由於鋰離子電池的結構特點使得其在設計成柔型結構後會極大的限制其能量密度, 但是可穿戴設備往往都會對續航提出較高的要求, 以滿足使用便利性的需求, 因此人們把目光放在了能量密度更高的Li-O 2電池上, Li-O 2電池的理論比能量可達3500Wh/kg, 但是因為Li-O 2電池需要使用空氣中的O 2作為陰極, 因此需要設計多孔陰極結構, Li-O 2電池的這種半開放式的結構決定了其對空氣中的水分高度敏感. Li-O 2電池在可穿戴設備上應用面臨的另一個挑戰就是柔性化設計, 傳統的Li-O 2電池一般採用剛性結構設計, 並不適合直接使用在柔性可穿戴設備上, 因此近年來人們在Li-O 2電池的柔性化上也做了很多的工作, 例如長春應化所的Qingchao Liu就在古代竹簡結構的啟發下, 設計了一款類似結構的柔型Li-O 2電池, 不僅具有良好的柔性, 還兼具防水功能, 甚至可在水下使用.
最近吉林大學的Yan-Bin Yin也研發了一種高安全性, 柔性可摺疊的Li-O 2電池. 結構如下圖所示, 該電池採用了管式中空結構設計, 保證了電池良好的柔性, 並採用了聚醯亞胺PI和聚 (偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物) PVDF-HFP組成的複合隔膜 (PIPV) , 該隔膜具有很好的防水特性和熱穩定性, 並能具有較高的離子電導率, 配合電池的其他結構設計使得這款柔型Li-O 2電池不僅具有優良的迴圈壽命和出色的倍率性能, 更具有防水和防火的特性, 該電池甚至能夠在水下使用.
作為該項發明的關鍵技術, PIPV隔膜的製備過程如上圖c所示, 首先在Li金屬箔表麵包覆一層聚醯亞胺PI膜, 然後在PI膜的表面均勻的塗布一層聚 (偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物) PVDF-HFP漿料, 最後在氬氣環境下進行乾燥.
PI膜的微觀結構如下圖a所示, 可以看到PI膜具有非常多的微孔, 經過PVDF-HFP塗布後, 表面變的非常光滑 (圖b) , 幾乎所有的微孔都已經消失, 隔膜變的非常光滑. 從圖c的接觸角測量來看, 水滴在PIPV隔膜上的接觸角為96度, 表明該隔膜的疏水特性. 上述的兩種特性使使得該隔膜具有非常好的防水特性, 保證了金屬Li在有水環境下 (圖g) 的安全性.
熱穩定性也是在Li-O 2電池設計中需要考慮的重要的因素, Yan-Bin Yin將PP, GF和PIPV膜加熱到200℃ (下圖h) , 可以看到PP隔膜在加熱後已經完全收縮, 融化, 但是PIPV沒有發生明顯的變化, 表明PIPV在200攝氏度下的高溫環境中仍然具有良好的熱穩定性.
作為需要和人體密切接觸的電子設備, 安全性是可穿戴設備需要優先考慮的問題, 特別是Li-O 2電池中存在極為活潑的金屬Li, 安全性就更需要我們認真對待了. 為此Yan-Bin Yin對這款Li-O 2電池在有水, 高溫, 彎折等條件下的安全性進行了試驗驗證, 試驗結果如下圖所示, 可以看到這一款Li-O 2電池不僅不怕水, 甚至還能在水下正常工作, 彎折就更不在話下了, 在水下彎折180度, 仍然能夠正常放電. 為了驗證這電池在高溫下的穩定性, Yan-Bin Yin利用高溫火焰對電池進行了灼燒, 可以看到該電池沒有發生起火燃燒的現象, 表明該電池在高溫下也具有良好的熱穩定性. 這些特性使得該款電池已經具備了作為可穿戴電子設備化學電源的最基本素質, 接下來就需要看其電化學性能是否能夠滿足可穿戴設備的需求了.
下圖為該款Li-O 2電池的電化學性能測試結果, 從圖a中可以看到, 電池在0.2mA電流下, 放電容量可以達到115mAh (4259mAh/g) , 當電流提高到1.5mA時, 仍然能夠放出52mAh (1926mAh/g) 的容量. 該電池在較好的倍率性能的前提下, 還具有非常優異的迴圈性能, 從下圖d中可以看到, 在迴圈了100多次後, 電池的放電曲線幾乎沒有發生變化.
Yan-Bin Yin針對Li-O 2電池對水分敏感弱點, 研發的這款複合隔膜PIPV, 不僅十分有效的解決了Li-O 2電池在有水環境下電性能下降的特性, 還通過電解結構設計使得該電池甚至能夠在水下進行工作, 這極大提高了可穿戴設備的安全性和便利性. 熱穩定性也是該電池的優勢, 在200℃下PIPV隔膜仍然能夠保持良好的機械結構, 保證了電池在高溫下的安全性.
