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大気中で製造可能なフレキシブルな全固体リチウムイオン電池を開発した
A flexible all-solid-state Li-ion battery manufacturable in ambient atmosphere.
PMID: 32687702 DOI: 10.1021/acsami.0c07523.
抄録
ウェアラブル電子機器の集積化には、安全で堅牢かつ安価で柔軟性の高いエネルギー貯蔵システムの合理的な設計と探求が強く望まれています。ここでは、LiTi(PO)とLiV(PO)のカーボンナノチューブ強化リン酸塩電極とポリホスファゼン/PVD-HFFP/LiBOBからなる高導電性固体高分子電解質を用いた簡単な製造プロセスにより、競争力のある電気化学的性能と機械的安定性を有するフレキシブルな全固体電池を実現した。これらの構成要素は、環境雰囲気電池の組み立てを確実にし、高い柔軟性、良好な安全性、効果的な界面接触、及び動作中の電池のための高い化学的及び機械的安定性を達成するために、その低毒性、体系的な製造可能性及び(電気)化学的整合性に基づいて選択された。電極の高いエネルギー密度は、バインダー添加剤、追加カーボン、大型金属集電体を使用せずに、大量の活性粒子をCNTバンチとCNTファブリックの表面に埋め込む方法で、自立型負極と正極の斬新な設計によって可能になった。これらの電極は、液体電解質と高分子電解質を用いたハーフセルにおいて、それぞれ個別に優れた性能を示した。作成したフレキシブル全固体電池は、30℃で1℃の温度でも理論容量の半分以上の容量を供給できる良好なレート性能を示した。さらに、異なる電流速度で200サイクル後の容量保持率は75%以上であり、50℃でのサイクル後の容量フェージングも小さくなった。さらに、試作した積層フレキシブルセルにより、電池コンセプトと製造方法の有望な実用可能性を実証した。
Rational design and exploration of safe, robust and inexpensive energy storage systems with high flexibility are greatly desired for integrated wearable electronic devices. Herein, a flexible all-solid-state battery possesses competitive electrochemical performance and mechanical stability has been realized by easy manufacture processes using carbon nanotube enhanced phosphate electrodes of LiTi(PO) and LiV(PO) and a highly conductive solid polymer electrolyte made of polyphosphazene/PVDF-HFP/LiBOB. The components were chosen based on their low toxicity, systematic manufacturability and (electro-)chemical matching in order to ensure ambient atmosphere battery assembly and to reach high flexibility, good safety, effective interfacial contacts, and high chemical and mechanical stability for the battery while operation. The high energy density of the electrodes was enabled by a novel design of the self-standing anode and cathode in a way that a large amount of active particles are embedded in the CNT bunches and on the surface of CNT fabric, without binder additive, additional carbon or large metallic current collector. The electrodes showed outstanding performance individually in half-cells with liquid and polymer electrolyte, respectively. The prepared flexible all-solid-state battery exhibited good rate capability that more than half of its theoretical capacity can be delivered even at 1C at 30 °C. Moreover, the capacity retentions are higher than 75% after 200 cycles at different current rates and the battery showed smaller capacity fading after cycling at 50 °C. Furthermore, the promising practical possibilities of the battery concept and fabrication method were demonstrated by a prototype laminated flexible cell.