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科学家研发评估柔性储能设备灵活性耐磨性新方法

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发表于 2019-3-2 21:53:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
“目前,科研人员研究并设计了多种柔性储能器件,在材料、结构设计以及电化学性能稳定性等方面取得了显著的进展,但如何测试和评估这些器件的‘柔性’和‘可穿戴性’成为摆在研究人员面前的难题。”香港城市大学支春义教授说道。
自柔性电子设备出现以来,“让屏幕卷起来”就一直是人们所追逐的潮流。历经十余年的发展,进一步实现设备更灵活地弯曲、折叠、扭转、压缩和拉伸,以及有更舒适地体验,成为了人们的更高追求。
然而,束缚这一目标实现的最大瓶颈就是柔性储能器件,比如:柔性电池和电容等。哪些指标可测量其柔性性能?达到怎样的程度才是最优性能?
支春义教授与团队历经6年积累,首次全面比较和分析了常用的评估柔性储能器件柔性的几何参数,并提出“柔度”的概念来评估柔性储能器件的可穿戴舒适性。相关成果日前发表在Cell子刊《Joule》上。
科学家研发评估柔性储能设备灵活性耐磨性新方法
参数“任意”,不知何为“柔”?
近年来,随着电子电路、纳米技术、材料等,以及人工智能技术的不断发展,柔性可穿戴电子设备被认为是“未来电子产品的重要发展方向”。其以高柔性、轻薄、便携、可植入、可穿戴等特点,受到不同行业和大众消费者的青睐。
“这些柔性可穿戴电子设备的发展离不开高度灵活的储能装置,如柔性电池或者超级电容器等。”论文通讯作者支春义教授表示,它们不仅要有与常规电源类似的高能量、高功率密度,还需要具有强大的耐弯曲、耐冲击甚至可拉伸性能,以满足柔性电子设备在外力作用条件下的储能需求。
过去,科学家们重点关注的是柔性储能器件的材料制备、结构设计以及电化学性能,并取得了一系列的成果。然而,对于这些器件的“柔性”和“可穿戴性”等性能却少有人研究。
支春义教授指出,这使得该领域采用的柔性测试方法和参数缺乏统一的标准,多种多样,甚至很随意,难以准确评价和比较柔性储能器件的性能,不利于这一领域的进一步发展。
同时,除了达到“柔”的基本目标,“像衣服一样柔软舒适”则是柔性储能器件的终极目标之一,“然而其穿戴舒适性几乎很少被研究过,通常被忽略。”支春义教授说。
“柔度”告诉你有多“柔”
研究人员首先通过弯曲耐受性测试评估电子设备的“柔性”。
弯曲角度、弯曲半径和器件长度是评估柔性储能器件弯曲耐受性的常用参数。
如何进行判定?研究人员给出了这3个独立参数有效性测定方法:当弯曲角度、弯曲半径固定时,器件长度可以不同。类似地,当弯曲半径和器件长度保持不变时,弯曲角度也可以改变,最终形成不同的应力区域。
结果表明,当受力区域确定时,较长的器件可能受到弯曲的影响较小。同时研究人员构建了两种不同材料系统的柔性储能器件,分别是可充电Zn/MnO2电池和基于聚吡咯的对称超级电容器,并比较了它们在不同弯曲参数下的容量或电容保持率,从而揭示3个参数分别会产生哪些影响。
“通过实验我们发现,弯曲测试中,这3个几何参数对柔性储能器件的电化学性能变化都具有很大的影响。因此,我们建议在电子设备进行弯曲耐受性测试时,3个关键参数都应注明以方便不同研究者进行比较。”支春义教授说。
其次,测试柔性储能器件可穿戴舒适性。
研究人员首次提出了“柔度”的概念,他们根据皮革领域中常用的柔软度评估方法(国际标准ISO17235),将“柔度”作为储能器件的柔软度参数。
支春义教授告诉记者,柔性储能器件的柔度可以用市售的皮革和织物柔软度测试仪来评估,较大的延伸量意味着更好的柔度,这是一种易于实施的方法。“希望该方法能帮助相关研究者和企业更好地评估柔性储能器件的可穿戴性能。”
实验中,研究人员发现,柔度与活性材料层的厚度密切相关,采用不同的柔性集流体和不同的电极片制备方法都会导致完全不同的器件柔度。因此储能器件在提供高容量的同时,其对应更厚的活性材料层也会牺牲器件的部分柔度。
作者建议,设计柔性储能器件尤其是高容量的柔性储能器件时,研究者应提供柔度信息来保证公平性。
值得一提的是,以往的可拉伸储能器件实验研究中,储能器件拉伸后的残余应变问题常被忽略。研究人员通过实验发现利用现有的材料以及结构设计,可拉伸储能器件的残余应变是显著存在的。
标准助力柔性储能器件“更上一层楼”
柔度是柔性储能器件性能的重要指标,而统一的度量标准有助于推动产业的进一步发展。
“在此之前,国际上尚未对‘标准’问题有过较为系统全面的讨论。”支春义教授说,“希望该研究能启发相关研究人员的思考与探索,共同建立一个统一可接受的测试方法和标准来评估柔性储能器件的柔性、可拉伸性和穿戴舒适性,促进柔性储能器件在材料选择,电解质设计和评估方法上等各方面的发展。”
下一步,研究人员将进一步优化评估测试方法,细化和完善后拓展到其他类型的柔性储能器件,以期推动柔性储能测试标准化。
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