世界上首塊可“任意”變形鋰離子電池問世

近日，著名材料科學期刊《先進材料》(Advanced Materials)刊登了一項具有里程碑意義的研究成果。經(jīng)過多年來持續(xù)不斷的研究，一個來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)的研究團隊，終于把鋰離子電池內部所有的組成結構都換成了可以彎折、扭曲的新材料，制造出了世界上第一塊可以“任意”彎曲、拉伸的鋰離子電池。

根據(jù)該大學網(wǎng)站的報道，這種電池遵循商用電池的設計。領導團隊的馬克斯·尼德伯格教授稱，有關可折疊電池的研發(fā)甚至已經(jīng)超越了應用于手機的范疇，對于使用折疊顯示屏的計算機、智能手表和平板電腦等電子產(chǎn)品，可折疊電池都將有很大的價值。

一旦這項研究成果能夠在未來得以改進并投入商業(yè)化應用，或將對未來電子產(chǎn)品的設計產(chǎn)生革命性的影響。

DeepTech 獨家專訪到了本文的第一作者、可拉伸鋰離子電池的主要發(fā)明人——蘇黎世聯(lián)邦理工學院陳曦博士，為您帶來此次研究以及折疊電池未來發(fā)展的深度解讀。

今年上半年，手機行業(yè)巨頭三星和華為相繼發(fā)布了自己的可折疊手機，驚艷全球，吊足了全世界消費者的胃口，小米也在不久前發(fā)布其首款折疊概念手機小米 MIX alpha，因此，今年也被認為是“折疊元年”。

繼多攝像頭、人工智能、全面屏之后，可折疊很有可能將成為未來手機不可避免的發(fā)展趨勢，相關的技術和產(chǎn)品進展也一直吸引著科技和商業(yè)界的持續(xù)關注。

現(xiàn)有的可折疊手機之所以可以折疊，仰賴的是柔性屏幕。從三星到京東方，可折疊 OLED 顯示屏是電子行業(yè)近年來最值得驕傲的技術突破之一。但除了屏幕，可折疊手機里的其它部件其實和普通手機并沒有太大的差別。這不僅意味著，在手機兩個部分的連接處無法布置更多其它元器件，更意味著除了負責彎曲的鉸鏈之外，可折疊手機的其它部分依然“寧折不彎”，稍有不慎，依然有著損壞、甚至自爆的風險。

而自爆的原因，正是來源于電池。

一塊鋰離子電池的結構，可以被理解成是一個“三明治”，夾在中間的是負責傳遞鋰離子的電解質/隔膜，而位于上下兩端的是負載正負極材料、并收集和傳導電流的集流體。

目前主流商業(yè)鋰離子電池的電解質，是易燃易爆的有機溶劑和鋰鹽組成的溶液，是一種液體。這種電解質盡管性能極佳，但一旦氣密性不好，導致電池遭空氣中的氧氣或者水分侵入，就有可能發(fā)生危險的副反應，導致電池鼓包、自燃，甚至產(chǎn)生劇毒的氫氟酸(HF)。因此，主流的商用電池必須用鋼制或者鋁制的堅硬外殼緊密包裹，防止電解液與外界的接觸。有著如此堅硬的外殼，折疊自然無從談起。

而另一方面，用于發(fā)生電化學反應的正負極，是由粉狀的電極材料沉積在銅箔和鋁箔——也就是集流體上面制成的。顧名思義，所謂的集流體就是電池里存放電極材料、匯集和傳導電流的部件。

在常規(guī)鋰離子電池里，正負極薄膜與隔膜緊密貼合、卷繞，難以彎折。即使使用單層電極制成薄膜電池，由金屬材料制成的集流體一旦彎折，就會導致電極粉末的脫落，而尖銳的褶皺也會破壞電池結構，甚至刺穿正負極之間的隔膜，輕則影響電池性能，重則同樣導致電池自爆。

因此，要想實現(xiàn)電池的可折疊，依賴現(xiàn)有的材料是不可能的。

研究人員必須為電池里的每一個元器件都找到全新的材料，在保證形變的同時，還能兼顧電池的安全。而且，組成不同部件的不同材料之間，其電化學功能性還要相互兼容，否則，能讓一個部件正常工作的電壓，很有可能會引起另一個部件發(fā)生化學反應甚至失效。

一直以來，為電池里所有的部件都找到可以相互適配的可形變材料，一直是電池研究領域的科學家和工程師們孜孜以求的課題。陳曦表示，他們進行這個課題研究的前兩年，基本上都是在試錯。找到正確的研究方向后，又繼續(xù)花了兩年時間，才終于為鋰離子電池的每一個組成部分都找到了合適的解決方案，制造出了世界上第一塊可折疊、可變形的鋰離子電池。

他們的最終方案，是一種同樣按照“三明治”結構制成的可折疊的固態(tài)鋰離子電池。

所謂的固態(tài)鋰離子電池，指的是電池中用來傳遞鋰離子的電解質不是上文提到的有機溶劑與鋰鹽的溶液，而是一種固體。值得一提的是，剛剛于 10 月 9 日獲得諾貝爾化學獎的約翰·B·古迪納夫，其于 2017 年發(fā)表的最新研究成果，也是一款固態(tài)鋰離子電池。

陳曦他們選用的電解質，則是一種介于液體和固體之間的特殊物質——水凝膠。

水凝膠是一種親水的三維高分子網(wǎng)絡結構凝膠。一方面，它具有類似于橡膠的性質，擁有大量的交聯(lián)的有機高分子鏈，鏈與鏈之間往往由共價鍵、氫鍵或是靜電作用力相互交聯(lián)。陳曦他們選用的這種水凝膠，通過作用力最強的共價鍵交聯(lián)，在受到拉伸時，盡管每一個高分子鏈都會被拉長，但分子鏈之間卻由于強力的共價鍵的存在，而不會出現(xiàn)相對滑移。拉力消失時，高分子鏈收縮，物體又會恢復本來的形狀。如果沒有這種共價鍵的作用，拉伸的過程中，鏈與鏈之間的滑移就會最終導致材料斷裂，無法復原。

而在另一方面，親水的性質讓水凝膠可以攜帶大量的水分。研究人員就把比例適當?shù)母咚苄凿圎}溶解進了水凝膠的這些水分之中。

之前有研究顯示，這種具有極高濃度的鋰鹽水溶液可以用于制作鋰離子電池的電解液。相比于易燃、易爆、劇毒的商用電解質，水性電解質有一個明顯的優(yōu)勢——安全。它不會與空氣中的水和氧氣發(fā)生反應，也不會產(chǎn)生氫氟酸。

這意味著，由這種電解質制成的電池不僅在使用的過程中不可燃、無毒，還可以直接在空氣中進行組裝，而傳統(tǒng)的鋰電池必須在充滿氬氣的特殊環(huán)境下才能保證安全生產(chǎn)。再加上水凝膠出色的彈性機械性能，他們便研制出了一種可以很容易地拉伸、扭曲，還十分安全的新型電解質。

有了電解質，還需要解決用來存放正負極材料的集流體。前面說到，使用了銅箔、鋁箔的商用電極是不可以彎折的，但如果把電極粉末和可以形變、還導電性良好的材料結合起來，那么電極不就也可以形變了嗎?

這件事情的困難之處在于，對于材料來說，可以彈性形變和導電性良好，往往是一對矛盾的需求。有彈性的橡膠是很好的絕緣體，導電性能良好的金屬、甚至是導電塑料，都彈性不足。通過不斷的試驗，研究人員設計出了一種由四種材料復合而成的特殊結構，同時實現(xiàn)了上面這兩個目標。

第一種材料，是一層由有彈性的聚合物制成的薄膜，作為集流體的基底;第二和第三種材料，是分散在基底里面的碳納米管和碳黑顆粒。這些可以導電的填充物，讓基底擁有了一定的導電性。而徹底解決導電性問題，最關鍵的是第四種材料——沉積在基底表面的一層銀膠。

從微觀上來看，這種結構里的金屬銀是一堆層層疊疊在一起的六角形的二維片狀結構。它們有的固定在基底上，有的則像瓦片一樣搭在別的銀片上，集合在一起就形成了一個良好的電子通路。當集流體被拉伸時，銀片之間會發(fā)生相對的滑移，但依然可以保證這一片的“手腳”還能繼續(xù)搭在另一片的“身體”上，讓電流的通過不受影響。即便在少數(shù)的局部地方，銀片之間出現(xiàn)了完全的脫離，分散在基底里的碳納米管和碳黑顆粒也能起到傳導電流的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，即便拉伸到一倍長度，這種集流體的單位表面導電性也僅有少量降低，表現(xiàn)非常優(yōu)異。

最后，他們用噴涂沉積的方法，把正負極材料和集流體結合了起來，又用了一種類似于相框的結構，把集流體和電解質封裝在了一起，便制成了可折疊電池的成品。

經(jīng)過測試，整個電池在被拉伸 50% (即便手機被掰彎，電池也很難拉伸這么多)、充放電循環(huán) 50 次之后，仍然擁有 28 mAh g−1 的可重復使用電量和 20 Wh kg−1 的能量密度，表明了其在極限機械壓力下仍然擁有可靠的可重復充放電性能。

對于電子產(chǎn)品設計者來說，這意味著他們將第一次可以擁有這樣的想法：除了屏幕和電路，電池也能跟著一起彎!而這將很有可能催生出一系列全新的電子產(chǎn)品。

上面提到的可折疊手機就不用多說了，未來可折疊手機的形態(tài)將很可能發(fā)生改變。

這種電池還可以被安裝在平板電腦、智能手表上。你可以想象一下，也許以后的智能手表會徹底變成了一個柔性的“智能腕帶”，而電池也不必安裝在表盤下面，而是可以藏在表帶里了。

各種醫(yī)療、體育訓練用的可穿戴設備，也終于可以完美“貼身”，甚至于你的外套、書包本身，可能就是一塊飄逸、安全的電池織物。

而在無人銷售便利店里，可形變的電池也可以變成貼在商品身上的有源電子標簽的一部分，在產(chǎn)品從生產(chǎn)加工到銷售、甚至快遞上門的全過程中，為溯源、標價、定位芯片提供持續(xù)不斷的電力供應。

圖丨 經(jīng)過極限拉伸之后，電池仍能保持優(yōu)異的性能(來源：陳曦)

然而，陳曦表示，他只是實現(xiàn)了可折疊電池的“從無到有”的第一步。在進入大規(guī)模商業(yè)化應用之前，這項可拉伸電池技術還有很遠的路要走。

首先，這款電池的性能還無法和成熟的商用電池相媲美，需要顯著提高能量密度;

其次，需要繼續(xù)優(yōu)化充放電的控制和改進封裝工藝，以延長其循環(huán)壽命;

第三，則是降低電池的成本。作為世界上第一款可以彎折的全電池，他們所采用的部分材料成本還是較高的，很難在商業(yè)性上和主流電池相抗衡。

陳曦所在的蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊，已經(jīng)開始針對上述問題展開進一步的研究了。也許用不了多久，你不小心坐到自己放在沙發(fā)上的平板電腦上時，就再也不會有心痛的感覺了。