電工所等開發出高比能柔性固態鋰離子電容器製備技術

隨着可穿戴智能設備在運動和醫療健康等領域的應用，發展與之相適應的柔性可彎曲電化學儲能器件成為重要需求。然而，柔性儲能器件一般採用化學/物理沉積、組裝、微鈉加工等特殊工藝製備，材料的選擇和使用受限制，導致難以兼得柔性器件的比能量和力學柔性。此外，這些特殊工藝還無法與當前商業化電池/超級電容器的生產過程相兼容，較難實現規模化製備。

近日，中國科學院電工研究所研究員馬衍偉研究團隊在高性能柔性儲能器件製備技術研究中取得進展，通過從材料到器件的協同創新設計，開發出高比能柔性固態鋰離子電容器的規模化製備技術。相關研究成果發表在Advanced Materials上。

該研究採用自蔓延高温合成方法，快速（秒級）、低能耗、宏量的製備出氮摻雜多級次碳。高氮含量（12%）和一維&二維複合的多級次結構，使該碳材料作為鋰電負極時展現出800 mAh/g的可逆比容量。經過進一步活化，氮雜多級次碳可轉變為富含介孔的氮雜碳正極。其高比表面積達到2356 m²/g，導電率達15000 s/m，對鋰的比電容為115 mAh/g。基於合成的正、負極材料和聚合物凝膠電解質，製備出具有鋁塑殼封裝（Pouch-cell）的鋰離子電容器。基於正、負電極材料的能量密度達到170 Wh/kg，且具有較好的循環穩定性。

鋁塑封裝的鋰離子電容器是剛性器件，無法彎折。為了實現柔性，研究人員開發出對輥壓印技術，使鋁塑封裝鋰電容形成波浪狀結構。有限元仿真表明，波浪結構提供器件彎折/伸縮的空間，可有效降低器件彎折時的應力。原位電化學測試表明，經過數千次彎折，波浪狀鋰離子電容器的容量幾乎沒有衰減，展現出較好的柔性可彎曲性能。該技術實現鋁塑電池/超級電容器的柔性化，與常規制備工藝兼容，並提供規模化製備柔性儲能器件的方法。

該研究與中科院國家納米科學中心研究員魏志祥研究團隊合作完成。研究工作得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中科院潔淨能源創新研究院合作基金、中科院青年創新促進會的支持。

論文鏈接 

材料合成與器件設計示意圖、製備的鋁塑鋰離子電容器及其原位柔性測試