一款可折疊、能彎曲的電池，拉長(zhǎng)一半也照樣供電

為了跟上可折疊手機(jī)的發(fā)展，未來的電池也將變得更加靈活。

據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)(Science Daily)9月報(bào)道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的馬克斯·尼德伯格(Markus Niederberger)教授和他的研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出了一種柔性薄膜電池的原型。

這種新型電池可以在不中斷供電的情況下折疊、彎曲甚至拉伸。

柔性薄膜電池的原型。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

該電池像三明治一樣分層制造，在兩個(gè)可伸縮的集電器之間依次是陰極、水凝膠電解質(zhì)、PDMS框架和密封層、陽極。

這是研究人員首次使用具有不同電化學(xué)理化性質(zhì)的彈性復(fù)合材料，構(gòu)建電池中的所有必要組件。這些彈性復(fù)合材料可使電池在彎曲或拉伸的狀態(tài)保持正常運(yùn)作。

新型電池的分層結(jié)構(gòu)。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

鋰離子電池一般由集電器、電極材料、電解質(zhì)三部分組成。

集電器的功用，主要是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來，以便形成較大的電流對(duì)外輸出。

傳統(tǒng)的集電器用的是金屬材料，金屬除了具有質(zhì)量大、表面光滑等會(huì)影響電池容量和循環(huán)性能的缺點(diǎn)，還會(huì)在反復(fù)彎曲、拉伸、折疊過程中造成不可逆形變，致使電池失效。

該新型電池的外層集電器，由聚合物復(fù)合材料制成，材料里含有導(dǎo)電碳，在其內(nèi)表面上，還有一層微米級(jí)的銀薄片。

研究人員將這些銀薄片像屋頂瓦片一般重疊排列。當(dāng)電池被拉伸時(shí)，銀薄片之間不會(huì)彼此失去接觸，這保證了集電器的導(dǎo)電性。

即使電池的拉伸幅度過大，銀薄片之間失去了接觸，電流仍然可以流過含碳的復(fù)合材料，只是電流會(huì)稍微變?nèi)酢?/p>

兩個(gè)集電器之間，疊放了由錳酸鋰組成的陰極和由釩氧化物制成的陽極，兩極之間由一個(gè)類似于相框的PDMS框架和密封層隔開，PDMS框架的間隙填充了水性凝膠復(fù)合電解質(zhì)。

該電池與其它電池最大的不同之處，在于其填充的水凝膠電解質(zhì)。這種新型電解質(zhì)由馬克斯的博士生陳曦發(fā)明。

水凝膠是一種親水的三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠。它擁有大量交聯(lián)的有機(jī)高分子鏈，受到拉伸時(shí)，每一個(gè)高分子鏈會(huì)被拉長(zhǎng)，但由于分子鏈之間有共價(jià)鍵的存在，不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移。拉力消失時(shí)，高分子鏈?zhǔn)湛s，物體又能恢復(fù)本來的形狀。

馬克斯表示，現(xiàn)有電池中的液體電解質(zhì)易燃、有毒，這種凝膠電解質(zhì)更為環(huán)保和安全。

因?yàn)樗z電解質(zhì)中還含有高濃度的鋰鹽水溶液，這有助于鋰離子在電池充放電時(shí)在正負(fù)極之間流動(dòng)，且還能防止發(fā)生電化學(xué)分解。

這意味著，如果發(fā)生電池泄漏，該凝膠電解質(zhì)可以確保流出的液體不會(huì)造成破壞性后果。

新型電池可以在不停止電源的情況下彎曲、拉伸甚至扭曲。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

馬克斯認(rèn)為，該新型電池不僅能應(yīng)用于手機(jī)，還可以用于電腦、智能手表、平板電腦，甚至可用于智能紡織品上。

經(jīng)過測(cè)試，整個(gè)電池在被拉伸50%、充放電循環(huán)50次之后，約擁有20 Wh kg−1的能量密度。

1991年，鋰離子電池首次商業(yè)化的可重復(fù)使用電量能量密度為80 Wh kg−1。

馬克斯也表示，如果想把該電池推向商業(yè)市場(chǎng)，還需要更多的研究。例如該電池如何在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持密封、如何增加能容納電極材料的數(shù)量等。

隨著三星Galaxy Fold、華為Mate X等折疊手機(jī)問世，柔性電池正受到越來越多的人關(guān)注。

早在幾年前，已有多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始在這一電池領(lǐng)域進(jìn)行突破。

2015年，三星曾在韓國(guó)電池展覽會(huì)上公布了Stripe和Band兩個(gè)電池柔性電池系列，這類柔性電池的厚度只有0.3 mm，可用于智能手環(huán)、項(xiàng)鏈、T恤配飾等可穿戴式設(shè)備。

次年，瑞典林雪平大學(xué)(linkoping)有機(jī)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員也發(fā)明一款被稱為“紙電池”(Power Paper)的柔性電池。

紙電池。圖片來源：電池中國(guó)網(wǎng)

該紙電池由導(dǎo)電聚合物與植物纖維素、甘油等物質(zhì)進(jìn)行合理配比，以實(shí)現(xiàn)電池效果。該紙電池容量為26800毫安，約為普通手機(jī)鋰電池容量的十倍。

對(duì)柔性鋰電池而言，傳統(tǒng)電解液的流動(dòng)性往往會(huì)限制其大小和形狀。

今年初，由韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究院(UNIST)李相英(Sang-Young Lee)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，研發(fā)出了一種適合作為固態(tài)電池的電解液，有望成為未來柔性電池的原材料。

該研究小組利用多孔晶體材料作為離子導(dǎo)體，讓鋰離子可以有選擇性地、高效地通過離子通道，這種固體離子導(dǎo)體可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池中易爆炸的電解液，為新型柔性電池的設(shè)計(jì)提供了新方向。