南开大学：一种一体的柔性锂-硫电池

便携式电子产品正朝着超薄、集成、灵活甚至可穿戴设备的方向发展。为了匹配这些电子器件，实现完全自供电的柔性电子系统，必须考虑和设计具有简化集成配置的柔性储能器件。在各种储能装置中，锂-硫电池由于其理论能量密度2567W*h/公斤，成本低，是一种很有前途的电池，因此对柔性锂-硫电池有着很高的要求。

柔性锂电池的成功组装主要依赖于柔性元件的制备和创新配置的设计。近年来，各种独立的碳/硫复合膜因其优异的机械电化学性能而被直接作为柔性锂电池的阴极。但是，大多数柔性锂电池仍然是通过夹在两个隔离电极之间的隔板来实现传统的堆叠结构来组装的。当这些具有传统堆叠结构的柔性器件被弯曲到不同的水平时，由于外部变形导致相邻元件之间的位移和分离，会严重降低器件的性能，甚至导致短路。因此，不同电极和不同配置的柔性锂电池需要进一步发展。

近年来，各种集电极、分离器、甚至集电极于一体的柔性储能装置被设计出来。一体机连续无缝连接，既保证了高效的电子和/或负载传递能力，又避免了相邻元件在频繁的机械变形下的相对位移或分离，提高了机械性能和电化学稳定性。但是，由于孤立的碳/硫复合膜阴极和Li电极的使用限制了锂/硫复合膜阴极和Li阳极之间的连续无缝集成，目前还没有实现一体柔性锂-硫电池。因此，必须制定一种策略来设计一种一体的柔性锂电池。多孔聚合物分离器是传统锂电池的重要组成部分。由于其天然的柔韧性，它还可以作为柔性衬底来支持电极和缓冲弯曲过程中的内应力。如果将锂-硫电池的功能部件集成到聚合物分离器上，实现一体配置，就可以获得性能稳定的高柔性锂-硫电池。

近日，南开大学牛志强教授团队设计了一种柔性集成一体结构，将纳米碳管/硫(MWCNTs/S)阴极、MWCNTs/二氧化锰(MnO2)夹层和蒸发Li阳极结合在聚丙烯(PP)分离器上，叶片涂层与真空蒸发相结合。这种一体结构不仅可以降低界面接触阻力，而且可以避免弯曲状态下相邻元件之间的相对位移或分离，保证有效的电子和负载传递能力。因此，合成的Li-S电池在不同的机械变形下具有较高的柔韧性和稳定的电化学性能。它提供了一种策略，将一个灵活的储能设备的所有组件组装成一个具有良好结构稳定性的一体化架构。

经过测试，这种柔性的锂-硫电池在接近180度的弯曲下电化学性能仍然较为稳定。而且在接近10000次的重复弯曲下，电化学性能仍然可以保持恒定。此外，研究团队组装了全电池，在0.1库仑，0.2库仑，0.5库仑，1库仑和2库仑的电流密度下进行充放电循环，全电池仍然能分别表现出1183.9,1059.1,945.7,856.6,and682.3mAh/克的高可逆电容。为了更直观地展示一体软包Li-S电池的优异灵活性，用两组一体电池来点亮LED莲花灯，当电池被滚动，扭曲，甚至折叠，莲花灯可以很好地照明，并保持一个相近的亮度。当电池恢复到平面状态，莲花灯仍然可以以相同的亮度点亮。这进一步说明，柔性一体Li-S电池是一种实用的柔性储能装置。

虽然这种电池还只是在实验室研制阶段，但是展示出的性能及柔韧性足以说明这种电池在未来柔性可穿戴电子设备的潜在应用价值。期待未来酷炫的便携式电子设备早日到来。