固態(tài)電池和催化劑等方面的用途有哪些？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-14 08:40
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固態(tài)電池是一種電池科技。與現(xiàn)今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。
由于科學(xué)界認(rèn)為鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限，固態(tài)電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。
想要用石墨烯氣凝膠材料來(lái)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，3D打印是一個(gè)很有前途的方法。但實(shí)際操作起來(lái)也并不簡(jiǎn)單，因?yàn)槭┑恼扯缺容^高，需要反復(fù)調(diào)節(jié)其粘度直到能夠在3D打印機(jī)上成功打印。如圖為不同密度的石墨烯氣凝膠的3D打印的格子。
堪薩斯州立大學(xué)，布法羅州立大學(xué)和蘭州大學(xué)三位研究員合作開發(fā)出輕巧，破紀(jì)錄的石墨烯氣凝膠。他們使用的方法將噴墨3D打印深入凍結(jié)。使用專門開發(fā)的3D打印噴墨方法制造石墨烯氣凝膠的3D結(jié)構(gòu)。通過(guò)將氧化石墨烯粉末與脫油水混合來(lái)制備油墨。這被裝入兩個(gè)注射器筒中，一次噴射墨滴。當(dāng)油墨沉積時(shí)，脫油水凍結(jié)，將石墨烯固化成3D形狀。打印后該結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩次冷凍處理以將顆粒粘結(jié)在一起。
將石墨烯氧化物與水混合，在-25℃的溫度條件下將其3D打印到一個(gè)表面上。這樣每打印出來(lái)的一層都會(huì)被冰凍住，然后在冰的支持下再打印下一層。而且，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)沉積這些石墨烯氧化懸浮物到冷凍結(jié)構(gòu)上時(shí)，未凍的材料會(huì)解凍已經(jīng)結(jié)冰的表面，從而造成層與層之間自由混合并重新結(jié)冰，形成了氫鍵并使得氣凝膠結(jié)構(gòu)更完整。
另外，通過(guò)使用第二個(gè)注滿純水的3D打印機(jī)噴嘴，他們也可以創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗纬闪吮危诖嘶A(chǔ)上他們就能層積石墨烯氧化懸浮物。
3D打印作為一種增全固態(tài)電池可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來(lái)更多的功能和體驗(yàn)。
實(shí)際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。
相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
實(shí)際上，以各種可穿戴設(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。
（韓國(guó)KAIST制備的典型疊層結(jié)構(gòu)的柔性全固態(tài)電池）
不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠(yuǎn)不只以上的柔性電池，經(jīng)過(guò)電池材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達(dá)300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲(chǔ)一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應(yīng)用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會(huì)給我們帶來(lái)越來(lái)越多的驚喜。
（拉伸變形度可達(dá)300%全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)示意圖）
（太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器一體集成纖維狀器件示意圖）
優(yōu)勢(shì)之三：更安全
作為一種能量存儲(chǔ)器件，實(shí)際上所有電池在熱力學(xué)實(shí)質(zhì)上都不可能是絕對(duì)安全的。
但是電池實(shí)際應(yīng)用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統(tǒng)等。
目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點(diǎn)，在這里用“不夠理想”來(lái)評(píng)價(jià)現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個(gè)比較合適的評(píng)價(jià)。
優(yōu)勢(shì)之四：輕--能量密度高
使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。
此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問(wèn)題可以得到一定的緩解。
綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個(gè)較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。
從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級(jí)到“兩天一充”。
投入固態(tài)電池的玩家（圖片來(lái)源：YoleDéveloppement）
市場(chǎng)關(guān)注的固態(tài)電池公司一覽
固態(tài)電池的技術(shù)瓶頸材制造方法，憑借其靈活性，已經(jīng)以多種方式來(lái)解鎖各種材料的應(yīng)用潛力。
