电缆式锂硫电池 柔性器件的新宠儿

柔性和可穿戴器件的发展在近年来的研究中受到了广泛关注。但是，能源供给器件的多重挑战却严格限制了其发展。虽然柔性电池在材料方面的研究已经不是新课题，也取得了相当不错的研究成果，但是，材料的柔韧性仍然是限制柔性能源器件发展的重要因素，包括电极材料及导电基底在内的柔性特质都亟待提升。之前报道的柔性材料只能进行简单的弯折实验，若进行类似于卷曲等复杂变形时，便显得力不从心。另外一个就是柔性能源器件本身的能量储存能力，大部分简单的柔性电池利用的仅仅是常规材料，这就严格限制了电池的储存能力，也就严格限制了柔性可穿戴器件的发展。

相较于平面柔性器件的发展，一维线性柔性器件受到了越来越多的关注。这些线型储能器件具有十分优异的柔韧性，并且，得益于其可以作为线型材料被纺织进布料内，成为制备可穿戴器件的最佳候选。但是过去的研究仍然限制于其材料的储能性能，提高其储能能力是其未来发展的重中之重。

锂硫电池被认为是最具发展潜力的下一代能源储存装置，虽然柔性锂硫电池电极材料的研究正在如火如荼的进行，但是真正作为柔性锂硫电池的制备却少之又少。作者利用定向排列的碳纳米管纤维，结合介孔碳材料CMK-3，氧化石墨烯材料，制备了一种电缆式锂硫电池。该电池兼具优异的柔韧特性与良好的能量储存能力，为制备可穿戴器件的发展奠定下了很好的理论研究基础。

图一 电缆式电极材料的形貌表征

该电极材料利用介孔碳材料CMK-3作为硫活性物质的载体，利用热熔法将硫完全浸润到CMK-3的介孔结构中，为了更好地实现对多硫化物的限域效应，利用溶液法，在CMK-3@S复合材料表面，负载一层GO薄层，利用物理阻隔效应防止多硫化物的流失。利用定向排列的碳纳米管纤维作为上述材料的导电基体，实现其在碳纳米管纤维薄层上的高效负载，并利用绕曲过程将碳纳米管薄层“纺”成线状电缆。得益于碳纳米管纤维层的超轻性质(1.4 μg cm-2)，该材料中硫的比例可以达到68%，该材料的密度分布在0.17–0.20 mg cm−1。该材料表现出了优异的电化学性能，在0.1C的电流密度下，初次放电容量可以达到1051mAh g−1，循环100圈之后仍然有600 mAh g−1. 在1C的放电倍率下，循环200圈之后，其库伦效率仍然高达99%。

图二 电缆式锂硫电池电极材料的电化学性能表征

作者以上述材料作为正极，锂线作为负极构建了电缆式锂硫电池器件，开路电压可以达到3.2V，并且展现出优异的柔韧特性。该电池可以点亮触发电压为1.8V的LED灯，1.8mg的电极材料(10cm)可以持续点燃LED灯30分钟。作者还将五根电缆式锂硫电池器件纺织进布料中，制备“储能布料”。该电池兼具优异的柔韧特性与良好的能量储存能力，为制备可穿戴器件的发展奠定下了很好的理论研究基础。

图三 电缆式锂硫电池器件展示