苏黎世科学家研发出新型柔性电池 弯曲拉扯仍然可用

目前手机电池是刚性设备，在弯曲或折断时会过热。苏黎世联邦理工学院科学家研发了一种新型柔性电池。研究人员表示，这种电池可以弯曲，拉伸和扭曲，并且仍然可以正常工作。对于柔性电子产品和智能手机来说，该电池具有巨大潜力。

弯曲的能力可以将电池放置在整个智能手机内部，甚至可以放在铰链区域。该团队表示，柔性电池也可能是未来柔性设备理性选择。这种柔性薄膜电池原型可以弯曲和扭曲，而不会中断给设备供电，其中的关键之一是使用特殊电解质。

苏黎世联邦理工学院博士生XiChen发现了这种新的电解质，使整个电池具有柔性成为可能。该电池使用可弯曲的聚合物复合材料作为阳极和阴极。内表面有一层微粉化的银薄片。

这些薄片像屋顶瓷砖一样重叠，电池弯曲时不会彼此失去接触。如果薄片之间确实失去了接触，那么电力仍然可以通过含碳复合材料传递。电池有一个水基凝胶电极，使用高浓度的锂盐。研究人员表示，这种电池有许多潜在的应用。一个例子是让电池直接缝在织物上。

全柔性手机被媒体冠以“腕机”之名，它不仅能够实现中间部分的折叠，更能够实现整体手机的自由弯折，方便佩戴在手腕等部分，实现与人体更好的结合。目前的折叠屏手机仍然采用的是普通的刚性电池，避开了使用柔性电池的难题。若想推出革命性的全柔性电子器件，必须开发相应的柔性电源植入其中。因此，开发具有高能量密度的柔性锂离子电池，将对推动可穿戴的柔性电子器件的发展产生重要意义。

理想的柔性电池应同时具有较高的柔性、能量密度和功率密度，然而，这几个因素往往在柔性电池中相互掣肘。在该篇综述中，作者基于电池元件和整体器件层面的结构设计做了细致的分析，并综述了柔性锂电池的最新进展，把目前学术界的开发思路归纳为以下四种策略：

1）研制多孔结构可变形的电池组件，如多孔集流体、多孔电极、柔性固态电解质等；

柔性的多孔结构目前已广泛用于电池组件中，以缓冲当电池装置经受弯曲和扭曲时产生的应变。

a）LiangbingHu等人报道了一种氧化石墨烯导电多孔薄膜，它具有的导电率高达3112S/cm。用此薄膜作为集流体装配的柔性锂电池，在高充放电倍率（5C）循环100次后，并未发现容量的明显衰减。

b）一种单壁碳纳米管与聚合物（2,5-二羟基-1,1-苯并醌基硫化物）复合的正极材料被用于装配柔性锂电池。该电池在低电流下（50mA/g）展现出了182mAh/g的放电比容量，在超大电流下（5000mA/g）放电时，仍可达到75mAh/g的比容量。

c）HuaXie等人利用细菌纤维素为模板，开发了一款Li7La3Zr2O12(LLZO)与聚环氧乙烷复合的固态电解质。使用多孔互连的聚合物基质作为的机械载体柔软而坚固，用于传输Li离子的LLZO颗粒嵌入其中，整体显示出1.12×10-4S/cm的高离子电导率和优异的机械柔性。

2）超薄电池设计，如单对片（或双对片）的正极/隔膜/负极结构；

相比于策略1，策略2（超薄电池设计）需要从整体的器件层面进行电池设计。

a）松下公司发布的厚度仅为0.55mm的柔性锂电池，可适用于各类可穿戴设备。即使以弯曲半径为25mm弯折，或扭曲到±25度角1000次以上后，这种柔性电池仍可保持99%的容量。

b）RobertKun等人报道了一种由柔性的聚酰亚胺作为支撑基底，基于火焰喷涂热解法制备的Li4Ti5O12/LiPON/Li薄膜固态电池。在1C倍率下充放电，陆续以平坦、弯折、平坦的形态循环90次后，电池的放电容量保持率仍高达98%以上，表现出了极佳的循环性能。

3）几何拓扑的电池设计，如线形结构、Origami、Kirigami结构等；

除了提高电池组件材料本身的柔性，利用几何拓扑原理设计的电池结构，可以降低形变过程中电池内部产生的应力变化。

a)该策略最初被JeYoungKim等人报道于其线形电池的工作中，该电池不仅能够适应弯折形变，还能够适应更复杂的形状变化，例如折叠和扭转。

b)YihuaGao等人采用弹簧状的LiCoO2/还原氧化石墨烯作为正极材料，结合凝胶电解质，设计和装配了一种可自愈合的柔性锂电池。在复杂的形变下（弯折和扭转），以1A/g的电流密度进行充放电，该电池仍能保持82.6mAh/g的放电比容量；即使切断、愈合电芯五次，电池仍可发挥50.1mAh/g的放电比容量。

c)除了线形结构外，纸张折叠技术也广泛应用于柔性电池。HanqingJiang等人利用Origami折纸方案，可以实现将二维片状材料通过沿预定折痕折叠，创建出紧凑的可变形三维结构，该三维结构可承受高强度的形变。

d)不久之后，该课题组结合折叠和切割技术，开发了一种Kirigami方案。该电池在100次充放电循环后，可以实现85％以上的容量保持率和8％的库仑效率，在3000次电池变形后，该电池的最大输出功率也未见明显衰减。

4）解耦电池的柔性和储能部分，如脊柱状电池、Zigzag电池等。

对于上述的柔性电池设计，在复杂变形过程中仍然会发生活性材料和集流体之间的错位、剥离、脱落。由于接触不良而增加的过电位与电池内阻，将降低全电池的容量保持率和库仑效率，不利于电池的循环性能。潜在的解决方案是重新设计电池架构，分离能量存储和提供柔性的部分。

a)DeVolder等人展示了一种分层的锥形碳纳米管结构，类似于植物牵牛花，宽大的花冠用来承载正负极活性材料颗粒，下方细长的花柄部分与集流体部分紧密结合，在电池形变过程中，大部分应力施加于集流体本身，锥形结构在此期间几乎不产生应变，从而表现出极高的柔性。采用这种锥形结构装配的Fe2O3/LiNi8Co0.2O2全电池，在1C的倍率下充放电500次，仍具有88%的容量保持率。

b)GuoyuQian等人受动物脊柱拥有良好机械强度和柔性的启示，报道了一种可大规模制备高能量密度柔性锂离子电池的方法：通过将厚的、刚性部分沿轴向环绕起来(对应脊椎)以此储存能量，而薄的、不环绕的柔性部分(对应骨髓和椎间盘)用于连接“脊椎”，从而实现了整个器件的良好柔性和高能量密度。由于刚性电极部分的体积远大于柔性连接部分，占据电芯体积的95%以上，其整体电池的能量密度可达242Wh/L。合理的仿生设计使得其通过了强动力机械负荷测试。