随着电子产品日新月异的发展,人们对小型化电子器件的便携性、可穿戴性、可编织性等性质的需求日益增加。而相应供能设备的研发便成为重中之重,也变成产学研各界关注的重点。由于高能量密度、环境友好和价格低廉等优势,锂离子电池(LIB)在电子产品中已被广泛使用。而传统锂离子电池存在材料与集流体的连接强度不够,非活性物质比重较大等问题,使之很难应用于新型柔性、小型化、轻量化的下一代电子器件中。本文使用低成本、高柔性的碳类基底与高比容量合金化型的硅、锡活性材料复合,合成了线状锂离子正、负极材料;使用新封装方法原位测试柔性状态下半电池;组装了性能优异的纤维型全电池。具体内容和创新点如下:1.我们利用商业上已广泛应用的碳纤维为基底材料,采用一步法原位聚合制备聚吡咯(PPy)/硅颗粒(Si)/碳纤维(CF)复合电极,通过控制反应时间调整复合电极微结构,制备了电化学性能优异的柔性线状电极,优点如下:(1)PPy包覆层有效地缓解了Si在电化学反应中体积膨胀,并牢固地将Si颗粒粘附在基底上;(2)在植酸作用下,PPy与Si颗粒形成相互交联三维网络,在提高复合结构导电性的同时也有效地提升了电解液和电极的接触面积;(3)CF优异的机械性能为复合电极提供了柔性基础。该电极在0.4 A/g电流密度下,100圈循环后容量为2287 m Ah/g。16 A/g倍率测试时容量仍有936 m Ah/g。同时,本文设计了一种柔性条件下的半电池测试方法,使用这种方法测试定量测试柔性状态下的线状电极,结果表明,该电极可逆容量在反复弯折下仍可达2120 m Ah/g。若保持在弯曲状态下进行测试,100次循环后可逆容量达到未弯曲容量的96.1%。此外,将线状电极和商业化LCO组装成全电池,纤维型电池在柔性状态下可以持续地点亮LED。这种全湿化学制备的Si/PPy/CF线状电极和电极封装测试方法在为器件在柔性电子学中的应用奠定了基础。2.锂电池活性物质中正极容量较小,一般采用增大载量的方式来实现其与高容量负极的容量匹配。但载量过度提升将造成电化学性能下降,在外力作用下还可能引起电极材料从基底脱落。为了解决这类问题,我们用r GO复合二氧化锡(Sn O2)量子点和钴酸锂(Li Co O2)分别为线状负极和正极,设计了同轴/螺旋构型,将线状正极制作成弹簧状,通过调节弹簧参数实现了正负极容量匹配。这种构型和合成方法有许多优势:(1)r GO与Sn O2、Li Co O2复合时既减弱了石墨烯之间π-π键的堆叠形成多孔结构,并利用r GO的优异性能实现活性物质导电性和稳定性的提升,进而增强了复合结构的电化学性能;(2)在保证电极柔性的同时,弹簧状正极提升了电池构型的空间利用率,实现了正极和负极容量相匹配。该全电池完成50次充放电后,电极可逆容量仍有初始容量的80%。3.基于安全角度出发使用凝胶电解质,与ASG、ASLG和自修复聚氨酯(PU)封装层组装了可自修复的准固态纤维型锂离子全电池。优势如下:(1)全纤维型电池具有非常优异的空间适应性与出色的柔性力学和电化学性能。在反复弯折甚至打结后,电池的电化学性能与非柔性条件下的测试相比,容量仅衰减5.5%。同时,全电池还表现了优异的自修复性能。在切断/修复5次后,电池的可逆容量是初始容量的53.5%。该全电池制造和封装方法为纤维型柔性电池的制备、构型和设计提供了可行性思路,拓展了锂离子电池稳定性、安全性、使用寿命和潜在的适用范围。