由織物材料製成的新型電極：更輕、更安全、更耐用！

導讀

最近，美國德雷塞爾大學的一組研究人員設計出一種類似織物材料的電極，用它可以製作成能量存儲設備，例如電池和超級電容，更加快速、更不易泄露或者發生災難性崩潰。

關鍵字

超級電容、電池、靜電紡絲

背景

電池和超級電容中的電解液具有腐蝕性、毒性、且幾乎總是易燃的。伴隨著移動技術的進步，能量存儲設備的設計過程受限於材料收縮，從而容易發生短路。最近的案例就是三星的 Galaxy Note，當它混合了易燃性電解質的時候，就會發生爆炸。

（圖片來源於網路）

為了保證鋰電池安全，筆者曾經介紹過幾個創新研究進展。首先是美國斯坦福大學的研究人員製造的新型「智能」靜電紡絲分離器，它具有熱量觸發機制，內部含有阻燃劑，可用於防止鋰離子電池燃燒。

（圖片來源：Liu et al./斯坦福大學）

其次，筆者還介紹過美國德克薩斯州大學奧斯汀分校工程學院教授 John Goodenough 帶領的工程師團隊開發的全固態鋰電池，以及蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發的一種完全由固體材料組成的鋰離子電池。

（圖片來源： Fabio Bergamin / ETH Zurich ）

創新

今天，筆者又要介紹一種與能量存儲設備安全相關的創新方案。最近美國德雷塞爾大學的一組研究人員設計出一種類似織物材料的電極，用它可以製作成能量存儲設備，例如電池和超級電容，更加快速、更不易泄露或者發生災難性崩潰。他們設計的新型超級電容就像用明膠注入毛茸茸的海綿，為能量存儲設備中常用組件的可燃性電解液提供一種獨特的替代方案。

（圖片來源：參考資料【2】）

德雷塞爾大學工程學院教授 Vibha Kalra 博士和她的團隊使用了一種吸收在獨立式多孔碳納米纖維墊子上的、厚厚的富離子凝膠電解質，製造出一種無液體的設備。研究小組包括 Kalra 的博士助手 Sila
Simotwo 、Temple 研究員 Stephanie L.Wunder 博士、Parameswara
Chinnam 博士。最近，他們在美國化學會期刊《應用材料與界面》（Applied Materials and Interfaces）發表了一篇有關「無溶劑固態超級電容」新型設計的論文。

技術

超級電容是另外一種類型的能量存儲器件。它與電池相似，能夠靜電地存儲和釋放能量。但是在移動設備、平板電腦、電動汽車等技術方案中，它傾向於作為一種備份電源，因為它能在快速衝刺中釋放出存儲的能量。與電池不同的是，電池需要長時間使用才能釋放出能量。但是與電池相似的是，超級電容也是使用易燃的電解質溶液，也容易發生泄露和火災。

該研究小組開發的超級電容不僅是無溶劑的（意味著它不含有易燃液體），而且這種緊湊設計也更加耐用，它的能量存儲能力和電池充放電周期比目前使用的類似設備更好。它也能在300攝氏度的高溫條件下工作，因此它讓移動設備更加耐用，且不容易因為濫用而成為火災隱患。

（圖片來源：德雷塞爾大學）

Kalra 說：

「為了到達工業相關的電極厚度和負載，我們設計出一種衣服一般的電極，由納米纖維組成，具有一種定義明確的三維開孔結構，便於注入固體電解質前體。開孔電極也不含有作為絕緣體使用且會降低性能的粘合劑。」

生產這種耐用設備的關鍵就是纖維般的電極框架。團隊採用一種稱為「靜電紡絲」（electrospinning）的工藝製造它。該工藝以一種纖維墊的形式沉積碳前體聚合物溶液，並通過旋轉磁場擠壓它，這個工藝從微觀層面看起來很像棉花糖。

然後，ionogel 被吸收進碳纖維墊子中，創造出一種完全的電極電解液網路。它優異的性能特徵也與這種連接電極和電解液的獨特方式聯繫起來。這是因為它們在更大的表面積上相互接觸。

如果你將能量存儲設備看成一碗玉米片，而能量存儲發生的地方大致就是玉米片碰到牛奶的地方，科學家稱之為「雙電層」，它就是存儲電力的導電電極碰到攜帶電荷的電解液的地方。理想地說，在你的玉米片粥碗里，牛奶會通過所有的玉米片，為每個玉米片塗上一層，使它們不會太脆也不會太軟。但是有時候，玉米片會發生堆積，而牛奶（用來比喻電解液）無法通過玉米片，所以頂部的玉米片是乾的，而底部的玉米片被牛奶浸潤。這並不是一碗好的玉米片粥，也就是說它的電化學等價物（在電極中的電子在通往激活點的路上發生交通阻塞）對於能量設備來說並不是理想的。

Kalra 的固態超級電容就像將切碎的小麥而不是玉米片放進碗里。這種開發架構讓牛奶滲透並覆蓋穀物，就像 ionogel 滲透進 Kalra的固態超級電容中的碳纖維墊一樣。碳纖維墊為來自ionogel的離子訪問電極提供了更大的表面積，增加了容量，提高了能量存儲設備的性能。它也消除對於許多腳手架材料的需要，這些材料是形成物理電極的必要部分，但是在能量存儲過程中並沒有起到作用，卻為設備的整體總量貢獻了很多。

價值

Kalra 表示：

「我們已經完全消除了這些設備中容易起火的組件。並且，為了這麼做，我們也設計出一個能夠讓能量存儲設備變得更輕更好的電極。」

「先進的電極由超細粉末組成，這些粉末與粘合劑混合製成漿體，然後放進設備中。這些粘合劑增加了設備的總量，因為它們不是導電材料，且它們實際上阻礙了性能。我們的電極是獨立式的，這樣消除了對於粘合劑的需求，它的加工占電極製造成本的20%。」

（圖片來源：德雷塞爾大學）

Kalra 研究組的下一步工作是將這項技術應用於固態電池的生產以及探索智能織物方面的應用。

參考資料

【1】http://drexel.edu/now/archive/2017/September/carbon-nanofiber-supercap/

【2】Silas K. Simotwo, Parameswara Rao Chinnam, Stephanie L. Wunder, Vibha Kalra. Highly
Durable, Self-Standing Solid-State Supercapacitor Based on an Ionic
Liquid-Rich Ionogel and Porous Carbon Nanofiber Electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; DOI: 10.1021/acsami.7b07479

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