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柔性可穿戴式纤维型储能器件的设计
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2021/7/15 14:22:19

 

  近年来,相比刚性电子器件,柔性可穿戴式储能设备由于其柔软、轻便、灵活等特点得到迅速发展。一维结构的纤维型储能织物由于其重量轻、柔韧性好、耐磨性高,且兼具编织及机电可加工性等优点已被广泛研究。目前,纤维型的超级电容器(SCs)和锂离子电池(LIB)由于具有优异的能量存储特性已成为最具发展潜力的柔性储能器件。其中,二维材料由于其特殊的结构与性能在新型纤维基储能织物的电极研究中具有独特优势。相比二维柔性薄膜储能器件,纤维型储能器件可通过机织、针织等不同织造技术集成为灵活、透气、可拉伸的纺织品,从结构学角度优化织物的电化学储能特性。  
  

  
  不同种类二维材料的晶体机构及其特点与应用


  纤维材料广泛存在于日常生活与工作环境中。按来源分类,纤维材料可分为天然纤维和合成纤维。目前,天然纤维如棉纤维、麻纤维、竹纤维等,因良好的透气性、控温及吸湿性已被用于纤维型储能器件的制造。而涤纶、锦纶等合成纤维具有强度高、弹性好、耐磨和耐化学腐蚀等特点,已被广泛应用于柔性储能装置。
  
  纤维电极的制备
  
  对于纤维型器件,其电极制备方法对器件的储能性能和稳定性至关重要。目前,制备方法主要分为涂覆法、电沉积法、纺丝法。涂覆法是以纤维或纱线作为基底,通过在其表面进行涂层处理以负载目标活性材料的一种方法。电沉积法是在外加电源下,通过电解池阳极上的氧化反应或阴极上的还原反应在纤维及纱线表面形成活性材料沉积层的方法。通常用于导电聚合物、过渡金属氧化物等活性材料与导电纤维及纱线的复合制备。纺丝法主要基于溶液在基底上的喷射、沉积和干燥技术,这一方法可以解决电极材料和织物支撑基底之间界面黏合性较差的问题,同时还能大幅提高活性物质的负载量。
  
  器件结构的设计
  
  由于纤维型储能器件通常会面临弯曲、折叠、扭曲、伸缩等形变,纤维电极的结构设计成为研究及应用的关键。电极中电子迁移速率、离子传输通道、电解液的选择与封装、结构的抗机械形变性都将极大影响器件的电化学储能特性。目前,对于单根纤维器件的结构设计,主要包括平行型、缠绕型、包芯型、连串型和滚卷型5种类型。  
 

  
  纤维型器件结构示意图

  
  电解质的选择
  
  电解质是影响电化学储能装置储能性能的一个重要因素,合理选择电解质能有效地提高其能量密度和功率密度。常用的电解质一般分为水系电解质、离子液体电解质和有机液体电解质3类。其中,水系电解质具有较高的离子电导率,但由于水分解电位的限制,水系电解质的电压窗口较窄,一定程度上限制了其储能性能。离子液体电解质和有机液体电解质虽然能有效增加电压窗口的范围,但其离子电导率较低,从而在一定程度上限制了其储能应用。此外,液体电解质因具有一定毒性,且在使用过程中容易泄漏并给人体或者其他设备带来危害而受到一定限制。为提高纤维型储能器件的实用性和可穿戴性,凝胶/固态电解质受到了广泛关注。相比于液体电解质,凝胶电解质在纤维型储能装置中的应用主要包含以下3个优势:(1)凝胶/固态电解质具有较好的机械性能,且封装简单,可有效避免其在使用过程中出现泄露;(2)凝胶/固态电解质可充当隔膜的作用;(3)大部分凝胶/固态电解质不易燃,低毒或无毒,且可在较大温度范围内应用。在纤维型储能器件应用中,常用的凝胶电解质主要包含H2SO4-PVA、磷酸-聚乙烯醇(H3PO4-PVA)等质子传导凝胶聚合物电解质。