线型锂离子电池 超高电化学性能表现

一支来自上海复旦大学的科研团队日前研发了一款可伸缩线型锂离子电池，该创新科技利用两个定向多层壁碳纳米管/氧化锂复合丝线作为电池组的阳极和阴极材料，而且不额外使用集电器以及粘结剂。正如这支科研团队发表在《应用化学》杂志上的论文所言，新型电池可以编织成轻量化、易弯曲、有弹性、安全可靠的织物结构，并且拥有很高的能量密度等级。

 

两根复合丝线配合使用，可以得到可靠性高的电池组，能量密度达到27瓦时/千克或者17.7毫瓦时/立方厘米，功率密度达到880瓦/千克或者 0.56瓦/立方厘米，这些数据比传统锂离子薄膜电池反映数据有着数量级上的提高。线型电池弯曲能力强且重量较轻，经过100次弯曲测试后储电能力可以保留新产品的97%。

得益于改进的弹簧结构，线型电池弹性出众;经受200次强度达到100%的拉伸测试，储电性能仅仅降低16%。创新的线型电池已经被开发成了可拉伸的织物式电池组，未来很有可能得到广泛应用。先前生产线型电化学超级电容器的方法为把两个纤维电极缠绕在一起，但是整个系统的性能表现较差，最终也没能成功推广到市场中。

锂离子电池组可以有效地提高能量密度，但是之前的设计并没有考虑过导线的形式。除了效能结构上的难题，锂离子电池的安全问题也是一个重要影响因素：电池在过度充电时，材料锂会形成树枝状结构，有可能穿透阳极，造成整个供电系统的短路，最终引起电池的自燃。这个问题对于线型电池构造显得更为严重，因为使用过程中的拉伸、缠绕和弯曲更容易造成短路。

 

0.05毫安电流条件下进行100次充放电测试，1厘米线型电池显示的电能容量保持能力和库仑效率

解决安全性问题

复旦大学的这支科研团队成功解决了该安全性问题，研发出了高能量密度的线型锂离子电池，而其中的核心技术为一种特殊的结构以及使用的材料。阳极和阴极室两根处于平行位置的多层壁碳纳米管纤维，其中一个含有钛酸锂(LTO)颗粒，另一个含有锰酸锂(LMO)颗粒。由于平行的纳米结构和超高导电能力，制造过程不需要使用任何集电器和粘结剂。

电池充电过程中，锂离子从锰酸锂晶格移动到电解液中，最终到达阳极的钛酸锂晶格中;电池放电过程中，锂离子的运动方向刚好相反。钛酸锂复合电极的应用，使得单质锂和锂离子之间的转化发生在电压1.5伏左右，因此树枝状锂结构生成的概率很小，不会造成短路的发生，从而电池安全性得到保障。

连续碳纳米管的平行排列设计可以最大程度上控制纳米粒子，并且为电荷传输提供了一条有效路径，充当了集电器的作用。两条电极丝线成平行分布，由一个绝缘物层分离，并被包裹在一个热收缩管中。为了让线型电池富有弹性，包裹材料可以使用像聚二甲硅氧烷这类弹性纤维，并涂抹一薄层胶状电解液。这样的话，不管是长度拉伸到原来的一倍，或者环绕成各种各样的圆圈，都不会引起电池容量的降低。

线型电池能够被生产为很长的纤维，再加工成织物结构，最终以纺织品的形式出现。