锂电池柔性化结构设计的研究进展

朱东华

摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。社会发展和科技进步使可穿戴电子产品日益多样化、复杂化，且正逐步走向柔性化、轻量化和轻薄化。柔性化可穿戴电子产品在智能服装、医疗健康等领域有着广阔的应用前景，作为其核心部件的电池成为研究的热点。为了既能够满足续航要求，又可以在弯曲、折叠、扭转甚至拉伸等复杂形变条件下正常工作，或者满足可编织性、适应性等的使用需求，高比能柔性铿电池的开发成为重要的研究方向。本文就锂电池柔性化结构设计的研究进展展开探讨。

关键词：柔性铿电池;柔性化结构;设计

引言

随着电动车的研发与推广，动力电池应用得到快速发展。锂电池具有结构稳定、使用相对安全和较长的寿命周期，在很多动力系统领域得到了使用。对于纯电动车和混合动力电动车而言，温度是影响锂电池性能和寿命的至关重要的因素。锂电池充放电过程中产生的热量，对锂电池的安全造成潜在危险。温度过高不仅会降低电池的性能和寿命，还有可能导致严重的安全问题。当电池温度超过安全范围，锂电池内部可能发生热失控。

1柔性锂离子电池

柔性锂离子电池和传统锂电池的组成对比，如表1所示

PVDF：聚偏二氟乙烯;PTFE：聚四氟乙烯;PVA：聚乙烯醇;CMC：羧甲基纤维素;SBR：苯乙烯丁二烯橡胶;PP：聚丙烯;PE：聚乙烯;PA：聚酰胺;PVC：聚氯乙烯。

柔性电极一般是将功能性的有机和无机材料构建在导电薄膜上，不需要粘合剂和导电剂。粘合剂的去除使电池的电极制备的工艺简化;提高了柔性电极的导电;提高锂离子电池的适用温度达到200℃以上。

2三明治结构超薄电池

从整体结构上对电池进行设计，将电极和隔膜通过层层堆叠方式制备成三明治结构超薄电池，与传统电池结构的差别较小，是研究较早的一种典型柔性电池结构。用水热法在柔软钦箔表面生长一维Li4Ti5012（LTO）纳米线，制备三维网状自支撑柔性LTO负极。用LiMn204（LMO）纳米棒制备的三维网状自支撑LMO为正极，组装的LTO/LMO全电池开路电压为2.4V，电流密度为2C时，首圈比容量为163mAh/g，循环70圈后的比容量为168mAh/go三明治结构电池可以制备成更加轻薄化的薄膜结构，即薄膜电池，柔性薄膜结构全固态电池具有极强的柔韧性和较高的能量密度。用Ni基合金作正极集流体，用磁控溅射法溅射钻酸铿（LCO）正极，正极上沉积LiPON电解质，然后，用热蒸发法沉积金属铿负极，外层包覆绝缘封装层，最后，上下表层都用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装：电流密度为46.5uA/cm2（0.5C）时，能量密度为2.2x103uWh/cm3。利用火焰喷雾热解技术，以涂覆导电铜的柔性聚酞亚胺为基底，采用颗粒大小为6nm的LTO作活性物质，制备了LTO厚度为0.55N.，m的LTO/LiPON/Li固态薄膜电池。电池在2uA（1C）下以平铺、弯折、平铺的形态充放电30次后，放电容量基本没有衰减。薄膜结构的电池设计可以满足柔性电池轻量化、超薄化的需求，在电池能量密度的提升上还需要进行深人的研究。

3自然对流的电池模块的热特性和电化学特性

C条件下，电池表面的最高温度升高了从25.5◦C，表面最大温差可达10.2◦C。5C条件下，电池表面的最高温度升高了34.9◦C，表面最大温差可达13.2◦C。可见放电倍率直接影响电池表面温度和表面温差。锂电池的运行温度范围一般为20∼40◦C，电池表面温差应低于5◦C，较高放电倍率时，自然冷却无法满足电池运行的要求。C条件下，电池表面的最高温度升高了从25.5◦C，表面最大温差可达10.2◦C。5C条件下，电池表面的最高温度升高了34.9◦C，表面最大温差可达13.2◦C。可见放电倍率直接影响电池表面温度和表面温差。锂电池的运行温度范围一般为20∼40◦C，电池表面温差应低于5◦C，较高放电倍率时，自然冷却无法满足电池运行的要求。

4透明结构电池

透明或半透明柔性电子器件应用广阔，其所用的锉电池不仅需要超薄化，还需具备透明的特性。柔性透明铿电池的组装需要每个组件都兼具柔韧性和透明性，但是制备传统电池的材料并非透明材料，在硅模板上制备PDMS网格化基底，并涂覆纳米金作集流体，再采用微流体协同方法将准备好的电极浆料填充在细密的网格中，制得网格状透明电极。以网格状LMO和LTQ分别为正、负极，PVDF基凝胶电解质和聚氯乙烯（PVG）包装制备的电池，透光率为60%时的能量密度为10WhL。电池能量随串联数量的增加呈线性增加的趋势，但是电池数量的增加并没有影响透明度，此透明电池设计在柔性透明电子领域有一定的应用价值。Oukas-在玻璃基底上采用UV光刻蚀工艺制备了具有网格电极结构的LCO/LiPONfSi柔性半透明薄膜固态锉离子电池，紫外可见光透过率高达60在3一4.2V电压范围内，以C/2倍率进行恒电流放电，容量为0.15mAh。研究表明：无论是有机物，还是无机物，都可以作基底制备网格状电极的透明电池，但在进行组装时，电池的网格结构之间要保证完全重合，否则透明度会下降，因此，在组装新技术方面还需要进一步探索。

5柔性电池研究前景展望

锂离子电池柔性化面临的问题主要来自三个方面。第一，随着柔性电池和电容器的厚度降低，柔性电池和电容器的储电量明显降低，限制了柔性电池和电容器薄膜化的进程;第二，柔性电池和电容器因为不用硬质封装材料使得柔性电子材料容易被破坏，柔性电池与电容器的安全性得不到保证;第三，柔性电子材料的封装材料达不到长时间密封的要求进而限制了柔性电子设备的使用时长。

结语

随着社会的快速发展、科技的不断进步及人们生活需求的多样化，柔性电子产品已经成为人们生活必不可少的一部分，柔性铿电池作为产品的核心部件有着广阔的应用前景和发展空间。基于柔性或非柔性材料对电池整体结构进行柔性化设计的基础研究已经取得了一定的成果。

参考文献

[1]安周建，贾力，杨成亮，等.锂离子动力电池液体冷却实验研究[J].中国科学院大学学报，2019：35（2）：254–260

[2]张嘉毅.柔性电池材料研究现状与前景展望[J].中国地质大学，2021.

[3]安周建.锂电池柔性化结构设计的研究进展.[J].工程熱物理学报，2019.