韩国能源研究院开发可粘贴式充电电池

韩国能源研究院(KIER,金正男院长)能源转换与储存材料实验室Yoon Hana博士、韩国先进科学技术研究院机械工程系Kim Young Jin教授、光学与机电工程系Kim Seungchul教授,釜山国立大学(Pusan National University)共同开发了 “利用高膨胀的激光诱导石墨烯电极的可再附着式微超电容器(MSCs)“,其研究成果被世界知名的《化学工程学报》收录。

  • MSCs是一种基于薄膜的超薄超级电容器,与锂电池薄膜相比,具有更高的功率和能量密度,因此受到了广泛的关注。
  • 《化学工程学报》被认为是化学工程领域最好的国际期刊之一(Elsevier出版,SCI I.F.8.355)。
韩国能源研究院开发可粘贴式充电电池
可重新黏附且灵活使用的可充电电池用于下一代柔性/可穿戴设备

随着人们对更轻、更小的可穿戴设备和高功能的IoT小工具需求上升,对电源采集、存储、管理等新技术的需求也越来越大。如今,可穿戴设备和物联网产品越来越多地应用于社会的各个领域。因此,研究人员正在积极开展研究与开发活动,开发除电源外还具有附加功能的储能装置。

可穿戴式储能设备的前提条件是,要能随着人体的形状和动作的变化而改变形态,同时要灵活、安全、耐用。传统的电池由于被开发成圆柱形、棱柱形或袋状的基座结构,能量密度有限,因此不具有灵活性。因此应用到下一代产品上有一定的局限性,如可穿戴式设备或微型设备等需要高柔性、高便携性、高能量密度的设备。

过去,可穿戴式设备储能设备的研发工作大多放在锂薄膜电池上。锂薄膜微电池是一种广泛应用于微电子工业的电源,存在着寿命周期短、故障率高、低温动能不稳定等问题,并且与锂相关联的锂电池存在安全隐患。

最近,MSCs作为下一代储能器件取代薄膜锂电池的储能器件受到高度关注。从原理上讲,超级电容器是半永久性的,具有高功率密度(比锂离子电池高10倍)、稳定性、效率高、充放电速度快等诸多优点。但是,由于单位负载的能量密度较低(估计为锂电池的1/10),其使用范围在一定程度上被限制在某些领域。与超级电容器相比,MSCs的功率密度明显高于锂电池,能量密度与竞争对手相似甚至更高。因此,它们被认为是超薄高性能储能器件的替代产品。

该研究团队成功开发出了贴纸型柔性MSCs,其具有柔性结构,利用超短脉冲激光器可以将其贴在物体或表面的任何地方。

超短脉冲激光器可以瞬间产生较大的强度,使石墨烯电极高度膨胀。通过在高膨胀石墨烯内部浸渍粘合聚合物复合材料,研究人员在保持附着力的同时,开发出了具有优异的电极性能和耐久性的贴纸型MSCs。

在此基础上,研究人员引入了功能上模仿蚌类粘性蛋白的多巴胺作为贴纸型柔性MSCs的涂层材料,以提高电化学性能。多巴胺中的邻苯二酚基团为伪电容电极提供了氧化还原活性分子。通过这样做,他们能够开发出贴纸型柔性储能器件,该器件具有类似于锂电池薄膜电池的高容量能量密度,具有优异的容量功率密度,是同类产品的13倍。

该研究的主要研究者、KIER公司的Hana Yoon博士表示:”我们的贴纸式柔性MSCs可以很容易地被重新贴在下一代可穿戴设备和物联网IoT设备上,而且非常环保。预计有望解决锂基储能技术的诸多障碍。”

另外,KAIST教授、该研究的共同研究人员Young-jin Kim表示:”该研究开发的图案化技术在相对较短的时间内用超短脉冲激光生成了独特的膨胀石墨烯,同时最大限度地减少了材料的损耗。这项技术有可能促进激光诱导石墨烯在各个领域的工业应用。

研究人员完成了国内外的专利申请。目前,KIER、KAIST、PNU、NTU联合研究团队作为下一代储能材料和器件研发的领导者,正在开展后续研究工作。

下载这项研究成果和相关专利

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