ACS Mater. Lett.┃可穿戴双极型铝离子电池

来源：X一MOL资讯

英文原题：Wearable Bipolar Rechargeable Aluminum Battery

通讯作者： 索鎏敏，中国科学院大学物理研究所

作者：Zejing Lin（林泽京）, Minglei Mao（毛明磊）, Jinming Yue（岳金明）, Binghang Liu（刘秉航）, Chuan Wu（吴川）, Liumin Suo（索鎏敏）,* Yong-Sheng Hu（胡勇胜）, Hong Li（李泓）, Xuejie Huang（黄学杰）, Liquan Chen（陈立泉）

可穿戴电子器件和柔性屏的蓬勃发展推动着对先进柔性储能器件的不断研究。为了满足柔性和便携性的双重要求，柔性电池需要在电极材料选取和电池结构设计上同时具备良好的柔性、高能量密度和较好的安全性能。目前大部分柔性电池的研究主要针对于柔性材料和组件的开发，在电池整体结构上仍旧沿袭传统单极型设计，并且为了维持电池整体的柔性、导电性和连接性，往往引入大量额外的非活性组件，致使电池能量密度大大降低。鉴于此，针对可穿戴电池的应用特点进行电池结构上的创新设计尤为重要。
近日，中科院物理所索鎏敏副研究员（通讯作者）、林泽京博士生（第一作者）在ACS Materials Letters 上发表题为“Wearable Bipolar Rechargeable Aluminum Battery”的文章，针对上述问题为柔性电池设计了一体化的双极型结构，并将其应用于可充铝电池中，该设计充分结合了碳/聚乙烯膜的柔性和双极型结构的低内阻、高能量密度的优势，展现出了良好的电化学稳定性和较好的柔性，相比于传统单极型电池显著提高了能量密度，为柔性电池的能量密度的提高提供了新思路。

图1. 可穿戴的双极型电池示意图。（a）传统串联的单极型电池结构（b）堆叠的双极型电池结构（c）柔性双极型电池设计示意图。
结构上，在传统单极型电池中，每个电池都需要两个集流体来分别为正负极导通电子，并且还需要额外的电池壳来提供密闭环境，且各个电池之间另需要导线连接。而在双极型电池中，正负极分别涂覆在同一个集流体的两侧，电池仅需要集流体来连接和密封，大大降低了非活性组分的引入。在电子传输路径上，相比于传统串联的单极型电池中沿着集流体的长度L横向传输，在双极型电池中，电子沿着集流体的厚度d纵向传输，极大的降低了内阻和压降，使处于集流体内电流分布更加均匀。此外，作者通过计算发现，采用双极型电池结构可以显著降低电池对集流体电导率的要求，因此，将碳/聚乙烯膜（80 μm）引入到该电池结构中作为双极板，并结合其他柔性组分来进行设计。

图2. 采用碳/聚乙烯膜的单层可充铝电池电化学性能。（a）不同集流体在可充铝电池电解液中的抗腐蚀性测试，采用碳/聚乙烯膜的单层可充铝电池的（b）循环伏安曲线（c）循环性能（d）在不同弯折角度下的充放电曲线（e）在180°弯折角度下为计时器供电（f）温度耐受性测试。
在抗腐蚀性测试中，碳/聚乙烯膜在AlCl3: [EMIm]Cl电解液中表现出与惰性金属钼和钽相当的稳定性。随后，作者以石墨为正极，铝箔为负极，碳/聚乙烯膜为集流体兼外壳，组装成了单层的可充铝电池。该电池在循环伏安、长循环、从0° 到180°的柔性测试和从低到高的温度耐受性测试中均表现出较好的稳定性，并且可以在不断的弯折中持续为计时器供电，验证了碳/聚乙烯膜在可充铝电池中的电化学稳定性。

图3. 4V双极型可充铝电池电化学性能。（a）双极型可充铝电池的组装示意图，叠两层的双极型可充铝电池的（b）充放电曲线（c）在不同活性物质载量下的循环性能（d）在不同电流密度下的倍率性能（e）在不同弯折角度下柔性测试和将电池做成表带为商用手表供电演示图（f）不同弯折角度下的电化学稳定性测试。
随后，作者采用碳/聚乙烯膜作为双极板，电池外壳和密封组件，组装双极型可充铝电池，堆叠两层时，可将工作电压加倍至3.21 V，并且在15 mg/cm2的高活性物质载量和960 mAh/g 的高电流密度下容量保持率仍可达80%，充分体现出了双极型电池结构在减小电池极化方面的优势。此外，在不同弯折角度下的柔性测试中同样表现出稳定的电化学性能。

图4. 10V双极型可充铝电池电化学性能。（a）五个传统串联电池与双极型结构可充铝电池的厚度对比，叠五层的双极型可充铝电池的（b）充放电曲线（c）循环性能（d）为商用LEDs灯供电演示图。
为进一步说明双极型结构的优点，作者组装了10 V双极型可充铝电池。从厚度对比图中可以看到，采用双极型结构的电池体积仅为传统串联电池54%，进一步说明双极型结构可以显著提高电池的能量密度。当叠五层时，作者设计的可充铝电池电压可达10 V，放电比容量仍可保持在40 mAh/g 以上，并可为商用工作电压为9 V的LEDs灯持续供电。
本文针对目前采用传统单极电池结构能量密度低的问题，引入多功能的碳/聚乙烯膜进行一体化组装，为可穿戴的电池设计了双极型结构并应用于可充铝电池中。该设计具有以下优点：1）通过减小非活性组件占比和电池内阻来提高能量密度和功率密度，2）通过碳/聚乙烯膜的使用具有较好的柔性，3）通过一体化的设计简化组装流程，4）通过铝电池体系提高安全性。并且，随着更高的热导率、电导率、更轻、更薄的碳/聚合物膜的开发，采用此结构设计的电池的性能预计会更好。