用于智能化设备的高能量柔性锂硫电池开拓者——“星火”

河北工业大学

贺禹森，张辰峰，王志松，肖一鸣，徐 康

1 作品简介

本团队研发的柔性电池属于锂硫电池，目前实验室级生产的柔性软包电池可实现200～3 000 mAh的比容量，可充电柔性电池的比能量为300～400 Wh/kg。在保持柔性的基础上，有助于电池所配适的产品轻量化、小型化；可根据设备提供空间任意改变形状，并且具有通用电极的特点，让锂硫电池的广泛配适成为可能。传统的锂离子电池难以满足可穿戴、便携式医疗器械等电子设备对轻便、可折叠和高效的储能器件的性能要求，而本产品能够有效解决这一问题。

2 技术原理

本团队研发的高能量柔性锂硫电池属于新型柔性电池，同时电池采用通用电极设计，发展潜力巨大。如图1所示为CoNi@PNCFs通用电极的合成示意图和Li-S全电池供电的电子手表。具体技术原理如下：

图1 CoNi@PNCFs通用电极的合成示意图和Li-S全电池供电的电子手表

（1）结构化锂金属负极-3D导电碳纤维支架：成功将三维柔性导电支架负载纳米金属团簇/单分散金属原子的多孔碳纤维材料（CoNi@PNCFs）作为硫正极和锂负极通用型柔性电极。

（2）构筑物理/化学吸附-催化转化载体材料：N掺杂碳层包覆的CoNi和Co/Ni-N活性位点具有很强的吸附可溶性多硫化锂的能力，并可以有效地促进其转化为不溶性Li2S2/Li2S。

（3）调控锂金属生长行为-双金属CoNi以及Co/Ni-N引导Li生长：多孔碳纤维的三维交联结构具有高比表面积，有利于活性位点的暴露以及电子/离子的输运。当用于锂金属负极载体时，这种基于多孔碳纤维的支架结构可提供足够的缓冲空间，在电镀/剥离过程中容纳和释放锂而且丰富的N位点（包括N掺杂碳和Co/Ni-N键）可引导均匀无枝晶的锂成核。

3 项目创新点

本团队成功开发了一种3D柔性多功能双金属多孔碳纤维（CoNi@PNCFs），并将其作为高性能锂硫电池的硫正极和锂负极的载体材料，主要有以下应用特点：

（1）降低电池生产成本：首次采用通用电极设计策略，协同增强硫正极和锂金属负极电化学性能，实现高能量密度柔性锂硫电池。

（2）解决锂硫电池痛点：超细钴镍双金属颗粒和原子分散的钴镍活性位点修饰的多孔碳纤维，具有亲硫/锂的双重特性，解决了锂硫体系中的穿梭效应和枝晶生长等问题。

（3）促进锂硫电池商业化：基于纳米纤维制造技术的三维多孔碳纳米纤维具有高比表面积，有利于活性位点的暴露以及电子/离子的输运。实际应用中，能够保证在高硫负载、低电解液用量以及低平衡系数等苛刻条件下实现优异面积容量。

柔性锂硫电池在智能化设备成为趋势的大环境下有着广阔的市场空间。本产品可随智能可穿戴设备的形状变化发生相应的改变，以满足设备轻便性、贴合性的需求，产品实物如图2所示。此外，手机这类产品也对柔性锂硫电池有越来越大的需求，而柔性显示的背后也需要柔性电池的支撑。在以电力为驱动源的可植入医疗器械市场，柔性锂硫电池对于传统电池的可替代性同样较大。

图2 产品实物图

4 应用前景及市场分析

本产品面向智能可穿戴设备制造企业市场，为其提供产品生产所需的定制化电池组件。在未来，产品市场定位的下游企业还包括智能手机制造商、便携式医疗器械生产企业、微型机器人厂商等。团队所研发的柔性锂硫电池因为容量高、环境友好以及可塑性强等特点能够满足上述智能化设备的多种需求。后期，团队将依托前期积累的资源，研制并生产配备柔性锂硫电池的智能可穿戴设备，进军相关行业领域。

从长远来看，本产品价格比市场上相似产品价格低约10%～20%。如未来成功实现规模经济，企业的利润率将达到40%～50%。