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新式织物锂电池突破穿戴装置供电瓶颈

时间:2019-06-20 作者:Gina Roos, Electronic Products主编 阅读:
香港理工大学(PolyU)的研究人员开发出新式的「织物锂电池」,能展现超过450Wh/L的能量密度、小于1mm的弯曲半径以及可折迭超过1,000次仍保持100%电量的性能…

香港理工大学(PolyU)的研究人员开发出新型的「织物锂电池」(Textile Lithium Battery),可望启发更多穿戴式装置设计人员的灵感与兴趣。据研究人员指出,这项新颖的锂离子电池技术有助于使其克服多项挑战,包括与开发可弯曲锂电池有关的能量密度、弹性度、机械强度,以及折迭次数稳定度。

创新的织物锂电池由于具备更高的能量密度、弹性度以及可靠性,使其适合各类应用,包括从智能型手机和全球定位系统(GPS)追踪到医疗保健监控和智慧织物等,以及各式各样的物联网(IoT)专案。

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从规格来看,这种新电池的厚度小于0.5毫米(mm),包括具有超过450Wh/L的能量密度、弯曲半径小于1mm的高弹性度,以及可折迭超过1,000次后仍保持原有性能,甚少出现容量衰减现象。该技术还支持快速充电/放电功能。

研究人员表示,现有的可弯曲锂电池仅能提供大约25mm的弯曲半径,以及不到200Wh/L的较低能量密度。

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香港理工大学(PolyU)的织物锂电池与其他锂电池的规格比较(来源:PolyU)

由香港理工大学纺织服装学会(ITC)研究团队开发的这项技术还曾经在2019年4月第47届日内瓦国际发明展(International Exhibition of Inventions of Geneva)上获得三项大奖——金奖以及两项特殊贡献奖。

「穿戴式技术被视为智能型手机之后的下一个重大市场机会。」带领ITC研究团队的PolyU教授Zheng Zijian表示,「穿戴式装置的全球市场收入预计将以每年20%的成长率迅速增加,到2024年突破千亿美元大关。由于所有的穿戴式电子产品都需要穿戴式能源供应,我们的研究团队开发出可制造织物锂电池的新技术,能够为各种下一代应用提供解决方案,包括从医疗保健、信息娱乐、运动、航天、时尚与IoT应用,到甚至超出目前所能想象到的任何感测或追踪等用途。」

透过使用PolyU的聚合物辅助金属沈积法(Polymer-Assisted Metal Deposition;PAMD)专利技术,可让高导电的金属、铜与镍均匀且共形地沉积在预处理的织物上。研究人员表示,所制造的金属织物具有低薄片电阻和较大的表面积,用于电池中作为集电器(薄片电阻是导电材料的重要特性,可以量化材料的电荷传输能力;薄片电阻越低,传输越快)。添加活性材料作为阴极和阳极,之后再将金属织物与隔离层和电解质一起组装至织物锂电池中。

一般来说,承载阳极和阴极材料的表面积越大,就越稳定、充/放电速度越高且电池更具弹性。采用PolyU专利的PAMD技术控制沉积时间,就能够轻松地控制金属纱线的厚度和薄片电阻。透过将金属纱编织成3D金属织物,与相同尺寸的2D金属箔片相较,其用于承载主动材料的表面积大大增强了。

根据实验室测试显示,电池在变形时仍具有较高的机械稳定度、耐用性和安全性。当电池重复多次折迭成半、以不同角度扭曲或揉皱时,其电压窗口保持不变,而且可以弯曲超过1,000次,而且甚少出现容量衰减现象。安全测试——承受连续的锤击、以剪刀修剪和铁钉刺穿——证明电池可以为电子组件提供稳定的功率输出,而不至于着火或爆裂。

 (原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体Electronic Products,参考链接:Researchers develop high-energy-density, flexible battery for wearables,编译:Susan Hong)

 

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