中國粉體網(wǎng)訊 近日，著名材料科學(xué)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）刊登了一項(xiàng)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，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究團(tuán)隊(duì)，終于把鋰離子電池內(nèi)部所有的組成結(jié)構(gòu)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。
一旦這項(xiàng)研究成果能夠在未來得以改進(jìn)并投入商業(yè)化應(yīng)用，或?qū)?duì)未來電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的影響。
屏幕折疊
我們似乎可以將2019年稱為“折疊元年”。今年上半年，手機(jī)行業(yè)巨頭三星和華為相繼發(fā)布了自己的可折疊手機(jī)，驚艷全球，吊足了全世界消費(fèi)者的胃口，小米也在不久前發(fā)布其首款折疊概念手機(jī)小米 MIX alpha。各大手機(jī)廠商都在小小的屏幕上做足了勁頭，為了可折疊屏幕費(fèi)盡了心思。
現(xiàn)有的可折疊手機(jī)之所以可以折疊，仰賴的是柔性屏幕�？烧郫B OLED 顯示屏是電子行業(yè)近年來最值得驕傲的技術(shù)突破之一。但除了屏幕，廠商們對(duì)手機(jī)其他部件的折疊似乎無能為力，其他部件與普通手機(jī)并沒有突破性的區(qū)別。這意味著，除了在手機(jī)兩個(gè)部分的連接處負(fù)責(zé)彎曲的鉸鏈之外，目前可折疊手機(jī)的其余部分依舊“寧折不彎”，稍有不慎，依然有著損壞、甚至自爆的風(fēng)險(xiǎn)。
手機(jī)自爆的“元兇”，只有一個(gè)——電池。
一塊鋰離子電池的結(jié)構(gòu)，可以被理解成是一個(gè)“三明治”，夾在中間的是負(fù)責(zé)傳遞鋰離子的電解質(zhì)/隔膜，而位于上下兩端的是負(fù)載正負(fù)極材料、并收集和傳導(dǎo)電流的集流體。
目前主流商業(yè)鋰離子電池的電解質(zhì)，是易燃易爆的有機(jī)溶劑和鋰鹽組成的溶液，是一種液體。這種電解質(zhì)有一個(gè)極其危險(xiǎn)的副反應(yīng)，遭遇空氣后，極易與氧氣與水分反應(yīng)，產(chǎn)生鼓包，甚至自燃。因此，主流的商用電池必須用鋼制或者鋁制的堅(jiān)硬外殼緊密包裹，防止電解液與外界的接觸。有著如此堅(jiān)硬的外殼，折疊自然無從談起。要想實(shí)現(xiàn)電池的可折疊，依賴現(xiàn)有的材料是不可能的。
柔性電池
柔性電池，從字面意思來說并不難理解，即可以承受彎曲、拉伸、扭曲甚至折疊等形變的電池。
為什么能折疊？
構(gòu)建柔性鋰離子電池需要從集流體、電極材料、電解質(zhì)三個(gè)方面入手。
1. 集流體
傳統(tǒng)的集流體用的是金屬材料（比如鋁正極和銅負(fù)極），但金屬除了具有質(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。
為解決這些問題，可選用有機(jī)聚合物/金屬復(fù)合物集流體，即將金屬材料鍍?cè)谟袡C(jī)聚合物薄膜的表面，形成既可導(dǎo)電又具柔性的集流體；也可選用基于碳材料的集流體，即利用碳材料導(dǎo)電性好、質(zhì)量小、表面較粗糙等強(qiáng)于金屬材料的性質(zhì)，將其與活性物質(zhì)壓制成分層的薄片結(jié)構(gòu)，形成完整電極。
2. 電極材料
傳統(tǒng)的鋰離子電池中，電極材料（含鋰過渡金屬氧化物）通常被涂覆在集流體上，但是經(jīng)過反復(fù)彎曲、拉伸、折疊會(huì)導(dǎo)致其脫落，故可以考慮脫離集流體限制的、可適應(yīng)形變要求的獨(dú)立式電極。
例如，基于碳納米管的獨(dú)立式電極，由于碳納米管可提供柔性特質(zhì)、骨架結(jié)構(gòu)及快速的電子傳輸路徑，并允許材料膨脹等一系列的優(yōu)點(diǎn)，可提高電極材料的循環(huán)性；基于石墨烯材料的獨(dú)立式電極，石墨烯相較碳納米管具有一些更優(yōu)異、獨(dú)特的性質(zhì)，其層狀結(jié)構(gòu)和大的橫縱比可組裝成具機(jī)械柔性的石墨烯膜電極。
3. 電解質(zhì)
對(duì)柔性電池而言，傳統(tǒng)電解液的流動(dòng)性會(huì)限制其大小和形狀，正如上文講到的，傳統(tǒng)液體電解質(zhì)有著非常致命的副反應(yīng)，為了防止之中反映的產(chǎn)生，主流的商用電池都是用鋼制或者鋁制的堅(jiān)硬外殼緊密包裹，防止電解液與外界的接觸。因此柔性電池基本棄用液體電解質(zhì)，而選用固態(tài)電解質(zhì)，這也是柔性電池被劃分為固態(tài)電池的一大原因。值得一提的是，近日最新的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主約翰·古迪納夫，其2017 年發(fā)表的最新研究成果，也是一款固態(tài)鋰離子電池。
選用合適的固態(tài)或者凝膠電解質(zhì)尤為重要，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究團(tuán)隊(duì)的方案就是采用非液態(tài)電解質(zhì)。陳曦他們選用的電解質(zhì)，是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)——水凝膠。
怎么樣實(shí)現(xiàn)折疊？
目前技術(shù)最為領(lǐng)先，最具發(fā)展前景的就是上文多次提到的，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)。并且值得注意，論文的第一作者、可拉伸鋰離子電池的主要發(fā)明人是一名華人，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院陳曦博士。
下面就介紹一種實(shí)現(xiàn)鋰電池折疊的方法，也就是陳曦博士團(tuán)隊(duì)的研究方案。他們的最終方案，是一種同樣按照“三明治”結(jié)構(gòu)制成的可折疊的固態(tài)鋰離子電池。
1.在電解質(zhì)方面。如上文所說，陳曦他們選用了水凝膠，水凝膠是一種親水的三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠。一方面，它具有類似于橡膠的性質(zhì)，擁有大量的交聯(lián)的有機(jī)高分子鏈，鏈與鏈之間往往由共價(jià)鍵、氫鍵或是靜電作用力相互交聯(lián)。在受到拉伸時(shí)，盡管每一個(gè)高分子鏈都會(huì)被拉長，但分子鏈之間卻由于強(qiáng)力的共價(jià)鍵的存在，而不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移。拉力消失時(shí)，高分子鏈?zhǔn)湛s，物體又會(huì)恢復(fù)本來的形狀。
另一方面，親水的性質(zhì)讓水凝膠可以攜帶大量的水分。研究人員就把比例適當(dāng)?shù)母咚苄凿圎}溶解進(jìn)了水凝膠的這些水分之中。研究顯示表明，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。結(jié)果表明，這種高濃度的鋰鹽溶液可用于制備鋰離子電池電解液。水凝膠還有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)——安全性。它不與空氣中的水和氧反應(yīng)，也不產(chǎn)生氫氟酸。這樣，他們開發(fā)出了一種新型的電解液，這種電解液容易拉伸、扭曲，而且非常安全。
2.在集流體方面，研究人員設(shè)計(jì)出了一種由四種材料復(fù)合而成的特殊結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可以彈性形變和導(dǎo)電性良好這兩種需求。
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(dǎo)電的填充物，讓基底擁有了一定的導(dǎo)電性。而徹底解決導(dǎo)電性問題，最關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(gè)良好的電子通路。當(dāng)集流體被拉伸時(shí)，銀片之間會(huì)發(fā)生相對(duì)的滑移，但依然可以保證這一片的“底部”還能繼續(xù)搭在另一片的“邊角”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(dǎo)電流的作用。
3.在正負(fù)極方面。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(dǎo)電性良好的材料結(jié)合起來，那么電極就可以形變。
最終，使用噴涂沉積的方法，將正、負(fù)極材料和集流體結(jié)合起來，采用相框形式的結(jié)構(gòu)，封裝集流體和電解質(zhì)在一起，可折疊、拉伸的固態(tài)鋰電池就誕生了！
小結(jié)
時(shí)代在進(jìn)步，科技在發(fā)展。在科研工作者的努力下，柔性電池或者說可折疊的固態(tài)電池，在前進(jìn)方向上邁出了一大步，未來柔性穿戴、便攜式設(shè)備、可折疊電子產(chǎn)品行業(yè)將會(huì)突飛猛進(jìn)發(fā)展。也許就在不遠(yuǎn)的將來，人們只會(huì)在博物館見到手機(jī)這種“硬邦邦”的產(chǎn)品了。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/漫道）
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參考來源
DeepTech、人民網(wǎng)-科普中國、新浪網(wǎng)-財(cái)經(jīng)
陳悅.基于碳纖維及其織物的柔性鋰電池電極研究進(jìn)展
