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科學家開發評估柔性儲能設備靈活性耐磨性新方法

2019-02-26 09:17來源﹕科學網

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  自柔性電子設備出現以來﹐“讓屏幕捲起來”就一直是人們所追逐的潮流。歷經十餘年的發展﹐進一步實現設備更靈活地彎曲﹑摺疊﹑扭轉﹑壓縮和拉伸﹐以及有更舒適地體驗﹐成為了人們的更高追求。

  然而﹐束縛這一目標實現的最大瓶頸就是柔性儲能器件﹐比如﹕柔性電池和電容等。哪些指標可測量其柔性性能﹖達到怎樣的程度才是最優性能﹖

  “目前﹐科研人員研究並設計了多種柔性儲能器件﹐在材料﹑結構設計以及電化學性能穩定性等方面取得了顯著的進展﹐但如何測試和評估這些器件的‘柔性’和‘可穿戴性’成為擺在研究人員面前的難題。”香港城市大學教授支春義告訴《中國科學報》。

  支春義與團隊歷經6年積累﹐首次全面比較和分析了常用的評估柔性儲能器件柔性的幾何參數﹐並提出“柔度”的概念來評估柔性儲能器件的可穿戴舒適性。相關成果日前發表在Cell子刊《Joule》上。

  參數“任意”﹐不知何為“柔”﹖

  近年來﹐隨著電子電路﹑納米技術﹑材料等﹐以及人工智能技術的不斷發展﹐柔性可穿戴電子設備被認為是“未來電子產品的重要發展方向”。其以高柔性﹑輕薄﹑便攜﹑可植入﹑可穿戴等特點﹐受到不同行業和大眾消費者的青睞。

  “這些柔性可穿戴電子設備的發展離不開高度靈活的儲能裝置﹐如柔性電池或者超級電容器等。”論文通訊作者支春義表示﹐它們不僅要有與常規電源類似的高能量﹑高功率密度﹐還需要具有強大的耐彎曲﹑耐衝擊甚至可拉伸性能﹐以滿足柔性電子設備在外力作用條件下的儲能需求。

  過去﹐科學家們重點關注的是柔性儲能器件的材料製備﹑結構設計以及電化學性能﹐並取得了一系列的成果。然而﹐對於這些器件的“柔性”和“可穿戴性”等性能卻少有人研究。

  支春義指出﹐這使得該領域採用的柔性測試方法和參數缺乏統一的標準﹐多種多樣﹐甚至很隨意﹐難以準確評價和比較柔性儲能器件的性能﹐不利於這一領域的進一步發展。

  同時﹐除了達到“柔”的基本目標﹐“像衣服一樣柔軟舒適”則是柔性儲能器件的終極目標之一﹐“然而其穿戴舒適性幾乎很少被研究過﹐通常被忽略。”支春義說。

  “柔度”告訴你有多“柔”

  研究人員首先通過彎曲耐受性測試評估電子設備的“柔性”。

  彎曲角度﹑彎曲半徑和器件長度是評估柔性儲能器件彎曲耐受性的常用參數。

  如何進行判定﹖研究人員給出了這3個獨立參數有效性測定方法﹕當彎曲角度﹑彎曲半徑固定時﹐器件長度可以不同。類似地﹐當彎曲半徑和器件長度保持不變時﹐彎曲角度也可以改變﹐最終形成不同的應力區域。

  結果表明﹐當受力區域確定時﹐較長的器件可能受到彎曲的影響較小。同時研究人員構建了兩種不同材料系統的柔性儲能器件﹐分別是可充電Zn/MnO2電池和基於聚比咯的對稱超級電容器﹐並比較了它們在不同彎曲參數下的容量或電容保持率﹐從而揭示3個參數分別會產生哪些影響。

  “通過實驗我們發現﹐彎曲測試中﹐這3個幾何參數對柔性儲能器件的電化學性能變化都具有很大的影響。因此﹐我們建議在電子設備進行彎曲耐受性測試時﹐3個關鍵參數都應註明以方便不同研究者進行比較。”支春義說。

  其次﹐測試柔性儲能器件可穿戴舒適性。

  研究人員首次提出了“柔度”的概念﹐他們根據皮革領域中常用的柔軟度評估方法(國際標準ISO 17235)﹐將“柔度”作為儲能器件的柔軟度參數。

  支春義告訴記者﹐柔性儲能器件的柔度可以用市售的皮革和織物柔軟度測試儀來評估﹐較大的延伸量意味著更好的柔度﹐這是一種易於實施的方法。“希望該方法能幫助相關研究者和企業更好地評估柔性儲能器件的可穿戴性能。”

  實驗中﹐研究人員發現﹐柔度與活性材料層的厚度密切相關﹐採用不同的柔性集流體和不同的電極片製備方法都會導致完全不同的器件柔度。因此儲能器件在提供高容量的同時﹐其對應更厚的活性材料層也會犧牲器件的部分柔度。

  作者建議﹐設計柔性儲能器件尤其是高容量的柔性儲能器件時﹐研究者應提供柔度信息來保證公平性。

  值得一提的是﹐以往的可拉伸儲能器件實驗研究中﹐儲能器件拉伸後的殘餘應變問題常被忽略。研究人員通過實驗發現利用現有的材料以及結構設計﹐可拉伸儲能器件的殘餘應變是顯著存在的。

  標準助力柔性儲能器件“更上一層樓”

  柔度是柔性儲能器件性能的重要指標﹐而統一的度量標準有助於推動產業的進一步發展。

  “在此之前﹐國際上尚未對‘標準’問題有過較為系統全面的討論。”支春義說﹐“希望該研究能啟發相關研究人員的思考與探索﹐共同建立一個統一可接受的測試方法和標準來評估柔性儲能器件的柔性﹑可拉伸性和穿戴舒適性﹐促進柔性儲能器件在材料選擇﹐電解質設計和評估方法上等各方面的發展。”

  下一步﹐研究人員將進一步優化評估測試方法﹐細化和完善後拓展到其他類型的柔性儲能器件﹐以期推動柔性儲能測試標準化。(韓揚眉)

  相關論文信息﹕DOI: 10.1016/j.joule.2019.01.013

[ 位置﹕ 首頁> 科技頻道> 綜合新聞 責編﹕趙清建 ]
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