【摘 要】
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移动便携式和柔性可穿戴式电子设备的飞速发展,在人们的生活中承担着越来越重要的角色,大大提升了人们的生活质量。锂电池因其制备工艺成熟、能量密度较高的优势成为目前移动便携式和柔性可穿戴电子设备的首选电源。移动便携式和柔性可穿戴式电子设备的发展,要求锂电池向更轻、更薄、更柔、能量密度更高的方向发展。目前商用电池的集流体一般是以铜箔和铝箔为代表的金属箔,具有面密度大、机械性能差的缺点,阻碍了高能量密度柔性
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移动便携式和柔性可穿戴式电子设备的飞速发展,在人们的生活中承担着越来越重要的角色,大大提升了人们的生活质量。锂电池因其制备工艺成熟、能量密度较高的优势成为目前移动便携式和柔性可穿戴电子设备的首选电源。移动便携式和柔性可穿戴式电子设备的发展,要求锂电池向更轻、更薄、更柔、能量密度更高的方向发展。目前商用电池的集流体一般是以铜箔和铝箔为代表的金属箔,具有面密度大、机械性能差的缺点,阻碍了高能量密度柔性锂电池的发展。本论文旨在通过设计和开发新型的具有优异机械性能的三维集流体,并将其应用于锂电池中,替代传统的金属箔集流体,从而提高电池的柔性。具体的研究工作如下:1.通过在聚乙烯(PE)薄膜上化学沉积铜制备出高导电的柔性镀铜PE膜。由于聚合物薄膜轻薄、柔软、可随意折叠的优势,制备出镀铜PE膜具有面密度小,机械性能优异的特点。将其应用于锂离子电池中,可降低电池中非活性物质部分的占比,提高电池的整体能量密度,增强电池的机械性能。实验结果表明,基于镀铜PE膜的软包全电池,经过3000次弯折后,仍能达到较高的容量,容量保持率为95.0%。经过1000次扭曲后,电池仍能正常工作,容量保持率为89.4%。2.对柔性碳布基底进行亲锂改性,将亲锂的Cu2S均匀地修饰在碳布基底上。通过与锂金属的转化反应原位生成高离子电导率的Li2S保护层,制备出离子/电子混合导体的三维柔性集流体(MIECS)。将其应用于锂金属电池中,可以加快锂离子传导,实现均匀的锂离子通量,诱导锂金属在碳布纤维表面均匀地成核生长,实现锂金属在整个三维骨架上的均匀沉积,抑制锂枝晶的产生。此外,由于碳布高的孔隙率和大的比表面积,该集流体还可以缓解循环过程中的体积变化,稳定电极结构,因而可以显著提高锂金属电池的电化学性能和循环稳定性。得益于碳布优异的机械性能,制备出的锂金属电池具备良好的柔性,在弯折1000次后,仍能保持较高的容量和较好的电化学性能,容量保持率为77.71%。通过合理设计和开发柔性三维集流体,可以显著提高电池的机械性能,在实现全柔性锂电池方面具有巨大潜力,为移动便携式和柔性可穿戴式电子设备形式和功能的进一步发展提供可能。
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