用離子凝膠涂覆碳納米纖維電極使裝置更加安全

當用離子凝膠涂覆這種碳納米纖維電極時，可以消除對儲能裝置中易燃類電解液的需要，使裝置更加安全。

德雷克塞爾大學的一個研究團隊開發出了一種織物狀材料電極，可以更快、更安全地制造儲能裝置(電池和超級電容器)，這種裝置不易泄露或者產生災難性的破壞。他們設計的這種新電極看起來就像是一種注入明膠的毛茸茸的海綿，而且提供了一種可替代設備中常見但又獨特的可燃電解質溶液。

電池和超級電容器內的電解液具有腐蝕性或毒性，并且幾乎都是易燃的。為了適應先進移動設備的需求，儲能裝置變得越來越小，但這就容易發生短路——當與電解液接觸后，儲能裝置可能會裂開。

因此，德雷克塞爾大學工程學院的Vibha Kalra教授與其團隊設計了這款設備。他們使用了一種厚的、富含離子的凝膠電解質來替代易燃電解質溶液，并且這種凝膠電解質吸附在多孔碳納米纖維的獨立式墊子上。該團隊包括Kalra的博士助理Sila Simotwo、天普大學的Stephanie Wunder和Parameswara Chinnam。最近他們在《應用材料與界面》雜志上發表了其 “無溶劑固態超級電容器”的新設計。Kalra教授說：“我們已經完全剔除了這些設備中具有著火隱患的部件。與此同時，我們還創建了一種能夠使儲能裝置變得更輕更好的電極。”

超級電容器類似于電池，但它所持有和釋放的電是靜電，而不是由化學反應產生。與那些長期使用的電池不同，這種超級電容器可以在短時間內迅速地消耗儲存能量，因此，它們往往作為備用電源。然而，超級電容器在電解質方面卻與電池類似——使用的也是易燃的電解質溶液，因此也容易受到泄露和著火的影響。

該團隊開發的超級電容器不僅不含溶劑——這意味著它不含易燃液體，而且緊湊的設計也使其更加耐用。另外在儲能能力和充放電壽命方面，這種超級電容器都優于目前使用的其他同類設備。此外，由于其能在高達300℃的溫度下工作，因此由它驅動的設備更加耐用，而且由于濫用而發生燃燒隱患的可能性也更小。

Kalra說：“為了滿足工業相關的電極厚度和負載，我們開發了一種由納米纖維組成的布狀電極，它提供了明確的三維開放孔結構，便于輸入固體電解質前體。開孔電極也不含具有絕緣體和有可能會降低其性能的粘結劑。”

制造這種耐用設備的關鍵是纖維狀的電極框架，該團隊使用了一種稱為靜電紡絲的工藝來創建這種框架。這包括將一個碳前體聚合物溶液以纖維墊的形式在一個旋轉的電場中擠壓出來，在微觀層面上來看就像是在做一個棉花糖。

一種稱為離子凝膠的離子富集凝膠電解質被吸附在碳纖維墊中，以產生完整的電極-電解質網格，該網格出色的性能，和電極與電解液獨特的組合方式，確保了它們的接觸面積很大。

如果把能量儲存裝置看成是一碗玉米片，那么儲存能量的空間就是玉米片與牛奶相遇的地方——科學家稱之為“雙電層”。即儲存電的導電電極與攜帶電荷的電解液在此相接觸。在理想情況下，玉米片碗中的牛奶會通過所有的薄片，使每個薄片都能被涂覆—不會太松脆也不會太潮濕。

有時，谷物堆積起來，而牛奶或電解質溶液并沒有完全通過，所以導致頂部的薄片是干的，而底部的薄片卻已吸收飽和。這種情況并不理想，其電化學當量——電子堵塞在通往電極激活點的途中——這并不適合儲存電量。

Kalra教授研究的固態超級電容器就像把切碎的小麥放在碗里，而不是玉米片。開放的結構使得牛奶滲透并覆蓋谷物，就像離子凝膠滲透到固態超級電容器的碳纖維墊上。碳纖維墊為離子凝膠中的離子提供了更大的表面積來獲取電極，從而增加了容量并提高了儲能裝置的性能。它也減少了許多腳手架材料的需求，這些腳手架材料是物理電極的重要組成部分，但是在能量存儲過程中并未發揮作用，并且占用設備的大部分重量。

“一般先進的電極需要與細粉末狀的粘結劑混合并且制成漿料，然后將其添加到裝置中。這些粘結劑增加了裝置的重量，并且由于其不導電，所以實際上降低了裝置的性能。而我們的電極是獨立的，不需要粘結劑，因此我們的電極制造成本僅為上述電極的20%。” Kalra教授說道。

Kalra教授團隊的下一步計劃是將這種技術應用于固態電池的生產，并且探索其在智能面料領域的應用。

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2018日本東京高性能塑料及復合材料展

PLASTIC JAPAN2018

展會時間：2018年12月5-7日（一年一屆）

展覽地點：日本幕張國際展示中心MakuhariMesse

主辦單位：勵展日本公司（Reed Exhibitions Japan Ltd.)

中國組團：上海福貿展覽服務有限公司

參展聯系：張鵬15821106898微信 QQ:99581873

展會規模：11萬平方米，1200家參展企業

觀眾總數：57,177（包含同期展會數據）

     2018年日本東京高性能塑料展將于2018年12月5-7日在日本東京幕張展覽中心舉辦。2017年日本塑料展在4月成功在日本的東京有明國際展覽中落幕來自全球950家企業的參展商云集展會現場，專業觀眾超過5萬人。

 

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