美國科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，通過將紙基鋰離子電池進(jìn)行Miura-ori式折疊，它們的單位面積能量密度和容量將增加14倍之多。

在最近一期《納米通訊》(NanoLetters)上，美國亞利桑那州立大學(xué)科學(xué)家錢程(QianCheng)及其他研究人員共同發(fā)表了一篇論文，介紹了他們在折疊紙基鋰離子電池領(lǐng)域的這一最新研究成果。

“折疊式電池對供電板空間有限的設(shè)備可能很有幫助。”美國亞利桑那州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授、論文共同作者坎迪斯·陳(CandaceChan)表示。此外，其他研究小組在可折疊紙基電子器件方面的最新研究成果表明，要將動力源和其他組件集成到一個單一、完全可折疊的移動設(shè)備中，一個可折疊的電池組是很重要的。

在目前的研究中，科學(xué)家使用碳納米管(CNT)油墨制成的鋰離子電池作為集電器，用傳統(tǒng)的鋰粉作為電極，用薄而多孔的Kimwipes作為紙基板。研究人員還為它添加了聚偏二氟乙烯(PVDF)涂層，以改善紙基板中CNT油墨的粘附性。最終制作出來的電池具有良好的導(dǎo)電性和相對穩(wěn)定的能量。

研究人員嘗試使用了簡單的對半式折疊和更復(fù)雜的Miura-ori折疊法。研究人員發(fā)現(xiàn)，使用簡單的對半式折疊法時，相比平面電池，折疊一次、兩次和三次可以使單位面積的能量密度和容量增加1.9、4.7和10.6倍。

Miura-ori折疊法更有效：將一塊6厘米×7厘米的電池折疊成25層，能使單位面積能量密度和容量增加14倍，并使它的總面積減小到1.68平方厘米。

“我們用單位面積能量密度表示能量密度的增加情況，”陳解釋道，“這與單位重量能量密度不同，因?yàn)殡姵乇徽郫B和展開時質(zhì)量不變。”

總體而言，在簡單的折疊模式中，折疊后的電池的電化學(xué)性能與平面電池相似。折疊電池的庫侖效率高于那些展開的電池，這可能是由于電池在折疊后電極材料與碳納米管之間的接觸增加了。

相對于平面電池，以Miura-ori法折疊的電池的某些性能稍有降低，包括放電容量與電容率的降低。研究人員認(rèn)為，這些損失可能是由于垂直褶皺交叉點(diǎn)的分層，因?yàn)檫@些電池中含有16個頂點(diǎn)。為了防止電池，研究人員在層與層之間使用了一種柔韌的絕緣薄膜：聚對二甲苯-C。

這項(xiàng)研究成果使人們首次看到了使用折疊法增加鋰離子電池單位面積能量密度和容量的潛力。在將來，隨著幾何折疊算法、計算工具和機(jī)器人操縱技術(shù)的進(jìn)步，可能會出現(xiàn)更復(fù)雜的折疊模式，并使商業(yè)用途的大尺度電池的出現(xiàn)成為可能。

因?yàn)榈土某杀尽⒑唵蔚闹圃旆椒ê挽`活性，紙基電池已經(jīng)對人們具備相當(dāng)?shù)奈ΑＨ绻ㄟ^折疊的方式能夠進(jìn)一步提供紙基電池的性能，這可能會導(dǎo)致各種應(yīng)用的高性能電池的產(chǎn)生。

“使用折疊法和折紙概念可以為紙基儲能裝置創(chuàng)造新的幾何形狀、幾何設(shè)計和新功能，這一領(lǐng)域具有無限的潛力。”陳說。