一款可折疊、能彎曲的電池，拉長一半也照樣供電

為了跟上可折疊手機的發展，未來的電池也將變得更加靈活。

據每日科學網(Science Daily)9月報道，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的馬克斯·尼德伯格(Markus Niederberger)教授和他的研究團隊，開發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：蘇黎世聯邦理工學院

該電池像三明治一樣分層制造，在兩個可伸縮的集電器之間依次是陰極、水凝膠電解質、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理化性質的彈性復合材料，構建電池中的所有必要組件。這些彈性復合材料可使電池在彎曲或拉伸的狀態保持正常運作。

新型電池的分層結構。圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院

鋰離子電池一般由集電器、電極材料、電解質三部分組成。

集電器的功用，主要是將電池活性物質產生的電流匯集起來，以便形成較大的電流對外輸出。

傳統的集電器用的是金屬材料，金屬除了具有質量大、表面光滑等會影響電池容量和循環性能的缺點，還會在反復彎曲、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，由聚合物復合材料制成，材料里含有導電碳，在其內表面上，還有一層微米級的銀薄片。

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

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合材料，只是電流會稍微變弱。

兩個集電器之間，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合電解質。

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。這種新型電解質由馬克斯的博士生陳曦發明。

水凝膠是一種親水的三維高分子網絡結構凝膠。它擁有大量交聯的有機高分子鏈，受到拉伸時，每一個高分子鏈會被拉長，但由于分子鏈之間有共價鍵的存在，不會出現相對滑移。拉力消失時，高分子鏈收縮，物體又能恢復本來的形狀。

馬克斯表示，現有電池中的液體電解質易燃、有毒，這種凝膠電解質更為環保和安全。

因為水凝膠電解質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在正負極之間流動，且還能防止發生電化學分解。

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

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：蘇黎世聯邦理工學院

馬克斯認為，該新型電池不僅能應用于手機，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。

經過測試，整個電池在被拉伸50%、充放電循環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化的可重復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市場，還需要更多的研究。例如該電池如何在較長的時間內保持密封、如何增加能容納電極材料的數量等。

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

早在幾年前，已有多家研究機構和企業開始在這一電池領域進行突破。

2015年，三星曾在韓國電池展覽會上公布了Stripe和Band兩個電池柔性電池系列，這類柔性電池的厚度只有0.3 mm，可用于智能手環、項鏈、T恤配飾等可穿戴式設備。

次年，瑞典林雪平大學(Linkoping)有機電子學實驗室的研究人員也發明一款被稱為紙電池(Power Paper)的柔性電池。

紙電池。圖片來源：電池中國網

該紙電池由導電聚合物與植物纖維素、甘油等物質進行合理配比，以實現電池效果。該紙電池容量為26800毫安，約為普通手機鋰電池容量的十倍。

對柔性鋰電池而言，傳統電解液的流動性往往會限制其大小和形狀。

今年初，由韓國蔚山國家科學技術研究院(UNIST)李相英(Sang-Young Lee)教授領導的研究小組，研發出了一種適合作為固態電池的電解液，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，這種固體離子導體可以代替傳統電池中易爆炸的電解液，為新型柔性電池的設計提供了新方向。