本文报告了一种双极纺织复合电极（BTCE），它可以通过内部串联堆叠配置产生高电压（6至12 V级）固态锂金属电池（SSLMB）。BTCE由镍涂层聚对苯二甲酸乙二醇酯织物（NiPET）芯层、涂在NiPET一侧的正极和涂在NiPET另一侧的锂金属负极组成。将BTCE与固态电解质交替堆叠可延长输出电压，减少惰性封装材料的使用，从而显著提高电池的能量密度。更重要的是，基于BTCE的SSLMB在循环过程中的单次容量保持率超过99.98%。BTCE的复合结构还具有出色的灵活性，电池在经过数千次弯曲和折叠后仍能保持稳定的充放电特性。BTCE为未来用于各种柔性和可穿戴电子设备的安全、高能量密度和柔性SSLMB提供了新思路。相关成果以“Bipolar Textile Composite Electrodes Enabling Flexible Tandem Solid-State Lithium Metal Batteries”为题发表在国际期刊Advanced Materials上。论文第一作者为Zhenyao Wei，通讯作者为南方科技大学邓永红教授,许晓雄教授和香港理工大学郑子剑教授。

图1.双极电池的设计原理。

使用a)外部串联和b)双极电极的高压固态电池模块；c)外部和d)双极电极中组分的质量分数与体积分数；e)基于已报道的385 Wh/kg的Li//NCA/软包电池，比较两种电池结构的能量密度。

图2. BTCE的制备与表征。

a)BTCE的制备过程；b)柔性BTCE的数码照片；c)BTCE的SEM横截面图；d)50°C、扫描速率0.5 mV/s时NiPET的LSV曲线；e)锂金属层与NiPET接触24h前后的XRD曲线；f)在弯曲半径为5.0 mm的条件下，NiPET、锂金属和LFP层在BTCE上的电阻变化；g)锂金属层和h)BTCE 10000次弯曲循环后的LFP层的SEM图像。

图3.基于BTCE的电池结构和电化学性能。

a）两层BTCE基电池的示意结构和电池的横截面SEM图像；b)BTCE基电池和外部连接电池的R_b和R_i的比较；c,d)BTCE基电池和外部串联电池的CV曲线；e,f)BTCE基电池和外部串联的电池在50 °C下的倍率和循环性能；g)BTCE基电池和其他报道中使用双极电极的SSLMB之间的循环性能比较；h)6、9和12 V的BTCE基纽扣电池。

图4.基于BTCE的软包电池的表征。

a)软包电池在弯曲200个循环前后的放电容量；b)软包电池在5.0 mm弯曲半径下 7000 次弯曲循环期间的放电容量；c)软包电池在不同弯曲循环下的充电/放电曲线；d)软包电池在在平整静置状态以及动态弯曲过程中开路电压的变化；e)软包电池在动态弯曲过程中的充电/放电曲线；f)软包电池弯曲至较小半径4.0、2.0以及完全折叠时的充电/放电曲线；g)演示单极和基于BTCE的软包电池以不同弯曲角度（0°、90° 和 180°）为 LED 面板供电。

 综上所述，作者首次报道了一种柔性双极电极BTCE。BTCE由核心NiPET层和NiPET一侧的LFP正极涂层以及另一侧的锂金属负极组成。以另一种方式将BTCE与固态电解质堆叠可以很容易地产生串联SSLMB，这不仅可以根据堆叠的数量将输出电压增加几倍，而且还可以成比例地减少金属封装材料的使用。结果表明，叠加5个BTCE可以产生12 v级的SSLMB，并将惰性封装的重量从56.88%降低到20.88%，体积从39.29%降低到11.46%。这使得材料的重量和体积能量密度分别提高了83.52%和45.83%。与外部连接的电池相比，基于BTCE的SSLMB具有更低的电阻和极化，更显著减少了封装材料。值得注意的是，基于BTCE的SSLMB在数百次充放电循环中，每个循环的容量保持率高达99.98%，在数千次弯曲和折叠测试后，性能没有衰减。因此，基于BTCE的高压SSLMB在广泛的柔性和可穿戴电子产品中显示出巨大的前景。

文章来源：高低温特种电池

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