用離子凝膠涂覆碳納米纖維電極使裝置更加安全

當用離子凝膠涂覆這種碳納米纖維電極時，可以消除對儲能裝置中易燃類電解液的需要，使裝置更加安全。

德雷克塞爾大學(xué)的一個研究團隊開發(fā)出了一種織物狀材料電極，可以更快、更安全地制造儲能裝置(電池和超級電容器)，這種裝置不易泄露或者產(chǎn)生災(zāi)難性的破壞。他們設(shè)計的這種新電極看起來就像是一種注入明膠的毛茸茸的海綿，而且提供了一種可替代設(shè)備中常見但又獨特的可燃電解質(zhì)溶液。

電池和超級電容器內(nèi)的電解液具有腐蝕性或毒性，并且?guī)缀醵际且兹嫉摹榱诉m應(yīng)先進移動設(shè)備的需求，儲能裝置變得越來越小，但這就容易發(fā)生短路——當與電解液接觸后，儲能裝置可能會裂開。

因此，德雷克塞爾大學(xué)工程學(xué)院的Vibha Kalra教授與其團隊設(shè)計了這款設(shè)備。他們使用了一種厚的、富含離子的凝膠電解質(zhì)來替代易燃電解質(zhì)溶液，并且這種凝膠電解質(zhì)吸附在多孔碳納米纖維的獨立式墊子上。該團隊包括Kalra的博士助理Sila Simotwo、天普大學(xué)的Stephanie Wunder和Parameswara Chinnam。最近他們在《應(yīng)用材料與界面》雜志上發(fā)表了其 “無溶劑固態(tài)超級電容器”的新設(shè)計。Kalra教授說：“我們已經(jīng)完全剔除了這些設(shè)備中具有著火隱患的部件。與此同時，我們還創(chuàng)建了一種能夠使儲能裝置變得更輕更好的電極。”

超級電容器類似于電池，但它所持有和釋放的電是靜電，而不是由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。與那些長期使用的電池不同，這種超級電容器可以在短時間內(nèi)迅速地消耗儲存能量，因此，它們往往作為備用電源。然而，超級電容器在電解質(zhì)方面卻與電池類似——使用的也是易燃的電解質(zhì)溶液，因此也容易受到泄露和著火的影響。

該團隊開發(fā)的超級電容器不僅不含溶劑——這意味著它不含易燃液體，而且緊湊的設(shè)計也使其更加耐用。另外在儲能能力和充放電壽命方面，這種超級電容器都優(yōu)于目前使用的其他同類設(shè)備。此外，由于其能在高達300℃的溫度下工作，因此由它驅(qū)動的設(shè)備更加耐用，而且由于濫用而發(fā)生燃燒隱患的可能性也更小。

Kalra說：“為了滿足工業(yè)相關(guān)的電極厚度和負載，我們開發(fā)了一種由納米纖維組成的布狀電極，它提供了明確的三維開放孔結(jié)構(gòu)，便于輸入固體電解質(zhì)前體。開孔電極也不含具有絕緣體和有可能會降低其性能的粘結(jié)劑。”

制造這種耐用設(shè)備的關(guān)鍵是纖維狀的電極框架，該團隊使用了一種稱為靜電紡絲的工藝來創(chuàng)建這種框架。這包括將一個碳前體聚合物溶液以纖維墊的形式在一個旋轉(zhuǎn)的電場中擠壓出來，在微觀層面上來看就像是在做一個棉花糖。

一種稱為離子凝膠的離子富集凝膠電解質(zhì)被吸附在碳纖維墊中，以產(chǎn)生完整的電極-電解質(zhì)網(wǎng)格，該網(wǎng)格出色的性能，和電極與電解液獨特的組合方式，確保了它們的接觸面積很大。

如果把能量儲存裝置看成是一碗玉米片，那么儲存能量的空間就是玉米片與牛奶相遇的地方——科學(xué)家稱之為“雙電層”。即儲存電的導(dǎo)電電極與攜帶電荷的電解液在此相接觸。在理想情況下，玉米片碗中的牛奶會通過所有的薄片，使每個薄片都能被涂覆—不會太松脆也不會太潮濕。

有時，谷物堆積起來，而牛奶或電解質(zhì)溶液并沒有完全通過，所以導(dǎo)致頂部的薄片是干的，而底部的薄片卻已吸收飽和。這種情況并不理想，其電化學(xué)當量——電子堵塞在通往電極激活點的途中——這并不適合儲存電量。

Kalra教授研究的固態(tài)超級電容器就像把切碎的小麥放在碗里，而不是玉米片。開放的結(jié)構(gòu)使得牛奶滲透并覆蓋谷物，就像離子凝膠滲透到固態(tài)超級電容器的碳纖維墊上。碳纖維墊為離子凝膠中的離子提供了更大的表面積來獲取電極，從而增加了容量并提高了儲能裝置的性能。它也減少了許多腳手架材料的需求，這些腳手架材料是物理電極的重要組成部分，但是在能量存儲過程中并未發(fā)揮作用，并且占用設(shè)備的大部分重量。

“一般先進的電極需要與細粉末狀的粘結(jié)劑混合并且制成漿料，然后將其添加到裝置中。這些粘結(jié)劑增加了裝置的重量，并且由于其不導(dǎo)電，所以實際上降低了裝置的性能。而我們的電極是獨立的，不需要粘結(jié)劑，因此我們的電極制造成本僅為上述電極的20%。” Kalra教授說道。

Kalra教授團隊的下一步計劃是將這種技術(shù)應(yīng)用于固態(tài)電池的生產(chǎn)，并且探索其在智能面料領(lǐng)域的應(yīng)用。

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2018日本東京高性能塑料及復(fù)合材料展

PLASTIC JAPAN2018

展會時間：2018年12月5-7日（一年一屆）

展覽地點：日本幕張國際展示中心MakuhariMesse

主辦單位：勵展日本公司（Reed Exhibitions Japan Ltd.)

中國組團：上海福貿(mào)展覽服務(wù)有限公司

參展聯(lián)系：張鵬15821106898微信 QQ:99581873

展會規(guī)模：11萬平方米，1200家參展企業(yè)

觀眾總數(shù)：57,177（包含同期展會數(shù)據(jù)）

     2018年日本東京高性能塑料展將于2018年12月5-7日在日本東京幕張展覽中心舉辦。2017年日本塑料展在4月成功在日本的東京有明國際展覽中落幕來自全球950家企業(yè)的參展商云集展會現(xiàn)場，專業(yè)觀眾超過5萬人。

 

聯(lián)系方式

聯(lián)系人：福貿(mào)張鵬
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