北京航空航天大学王华Carbon Energy: 柔性水系多价离子电池的研究进展

研究背景

随着社会对可穿戴和便携式电气设备的需求的增长，柔性电池领域得到蓬勃发展。其中，柔性水系多价离子电池（其载流子主要包括Zn²⁺、Al³⁺、Mg²⁺和Ca²⁺），由于其高安全性、地壳中的高元素丰度以及具有可以提供高理论比容量的多电子氧化还原机制，具有巨大的发展潜力。为了帮助相关研究人员更加全面深入地了解柔性水系多价离子电池领域，有必要及时总结这一领域的最新研究进展。

文章简介

北京航空航天大学王华教授团队围绕柔性水系多价离子电池领域，综述了一系列代表性工作中提高变形条件下电池性能的方法，其中重点关注柔性水系多价离子电池的组件材料与结构的开发与设计。该综述以负极、正极、水凝胶电解质和柔性水系多价离子电池结构等几方面进行了分类阐述。此外，文章还从工作电压、比容量和循环稳定性等方面总结对比了当前柔性水系多价离子电池的电化学性能。最后，文章对现有的提高柔性水系多价离子电池的策略进行了综合评价，并对未来该领域的发展所面临的机遇和挑战进行了展望。该工作以“Recent progress of flexible aqueous multivalent ion batteries”为题发表在Carbon Energy上。

图文导览

1. 柔性水系多价离子电池的挑战

（1）一般电池电极的柔性与耐久性差，并且在变形条件下电极活性材料从集流体脱落、金属负极枝晶生长等问题严重。（2）传统液态电解质在电池变形条件下有漏液风险，且电解液/电极固-液界面的不稳定性导致电池性能下降；而在柔性电池中普遍使用的聚合物电解质一般力学性能较差、电导率低、保水性差，并且可能同样存在固-液界面稳定性问题。（3）传统堆叠型电池受到变形时，不可避免地会发生相对位移，甚至两个相邻组件之间的分离，从而对柔性电池的性能产生不利影响。

2. 柔性水系多价离子电池的最新进展

2.1 负极材料

柔性水系多价离子电池负极材料方面的改性方法主要分为：（1）采用具有一定柔性的金属负极，并对负极进行合理的结构设计，以提高负极材料的柔性和机械强度。（2）采用柔性导电材料作为负极活性材料的基底，主要包括碳布、碳纸和导电聚合物膜等。（3）将负极活性材料制成自支撑的 “无基底”结构。

图1 金属负极与基于柔性基底的负极结构设计

图2 自支撑“无基底”负极材料的制备

2.2 正极材料

柔性水系多价离子电池正极材料方面的改性方法主要分为两种：（1）采用合适的胶黏剂与集流体制备正极。（2）通过电化学沉积、水热法、化学沉积/聚合、真空抽滤、喷印技术、磁控溅射等方法制备无粘结剂正极材料。无粘结剂正极材料的制备方法多样性给柔性正极材料的发展带来了广阔的空间。

图3 无粘结剂正极材料的制备

2.3 水凝胶电解质

水凝胶由于其较好的柔性和无漏液风险，被广泛用于柔性水系多价离子电池的电解液。其改性方向主要分为：（1）通过制造聚合物的孔结构、引入亲水性官能团等方法提高离子电导率。（2）采用高浓盐电解质提高保水能力。（3）通过添加增强剂、提高水凝胶内部交联度等方法提高机械性能。（4）通过提高水凝胶电解质的粘合强度改善其与电极的界面接触。（5）开发具有特殊功能的水凝胶电解质。

图4 水凝胶电解质的改性以提高电导率（A-F）和保水能力（G-I）

图5 水凝胶电解质的改性以提高机械强度

图6 提高水凝胶电解质的粘合强度和改善电解质-电极界面接触

图 7具有特殊功能的水凝胶电解质

2.3 柔性水系多价离子电池的构型

理想的电池构型应能最大限度地提高电池组件的灵活性，同时保证柔性电池在变形条件下的结构完整性和稳定性。一些新的电池制造技术致力于制备堆叠构型的柔性水系多价离子电池而另一些则采用全新的一体化电池构型。这些新的电池构型可以更好地适应不同应用场景下的电池变形，构型主要包括：（1）一体化电池构型。（2）平面内微型电池。（3）纤维电池。

图8 一体化柔性水系多价离子电池的制备与表征

图9 平面内微电池水系多价离子电池的制备与性能

图10 纤维电池的设计与性能

结论与展望

本文总结了FAMIBs的最新进展。首先，文章分析了柔性水系多价离子电池面临的挑战。然后，相应地，从负极材料、正极材料、水凝胶电解质和电池构型等方面总结了相关领域最新的代表性工作。柔性水系多价离子电池领域已经取得了相当大的进展，一些制备高性能柔性电池的策略也有了很大的推进。然而，仍然有些亟待解决的问题，作者认为主要包括：

（1）柔性水系多价离子电池的某些性能之间具有一定不兼容性，如高电极容量所要求的高活性物质负载带来的电极厚度增加、柔性下降的问题；高离子电导率一般要求的高含水量与水导致的正、负极副反应之间的冲突；电池的柔性与保形能力之间的平衡等。（2）目前，柔性水系多价离子电池的性能测试还没有统一的标准，柔性电池的一些变形条件是任意选择的，一定程度上造成了行业评价的不规范性。（3）需要开发更多的实验方法来研究变形条件下的电池组分物理化学性质的变化。（4）建立材料力学与电化学相结合的理论体系是高性能柔性电池合理设计的迫切需要。（5）柔性水系多价离子电池仍有相当大的发展空间。目前的柔性水系多价离子电池主要是Zn²⁺离子电池，其他多价离子，如Al³⁺、Ca²⁺和Mg²⁺作为柔性电池的载流子有待更深入的研究。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Recent progress of flexible aqueous multivalent ion batteries

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.178

DOI:10.1002/cey2.178

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