ETH研发首个真正可弯曲薄膜电池

ETH研发首个真正可弯曲薄膜电池。

如今，电子行业热衷于制造屏幕可折叠或卷曲的智能电话或电脑。这样的智能元件能够应用于微型可穿戴设备或感应器，用来监测人类的身体机能。可是，所有这些设备都需要一个能量源——锂电池。通常来讲，商业锂电池都是硬性且笨重的，完全不适用于可弯曲的电子产品或设备。而对柔性电池而言，传统电解液的流动性会限制其大小和形状，选用合适的固态或者凝胶电解质对于柔性电池的研究就显得尤为重要。

为了弥补锂电池的缺点，近日苏黎世联邦理工大学(ETH)多功能材料学教授Markus Niederberger和他的团队研发出一种可弯曲的薄膜电池，能够在不影响电力供给的情况下任意弯曲、拉伸甚至扭曲。这种新型电池的特殊之处就在于它的电解质，就是当电池在充电或放电的情况下，电解质可以促进锂离子的移动。这种电解质是由ETH的博士生陈曦发现。

系统的利用可变形零件

按照商业电池的设计，这种新型电池以一种类似于三明治的多层结构出现。这款新型的电池由四层薄膜组成：可折叠集流体正极、水凝胶电解质负极、框架以及可折叠集流体。可是，它的出现也标志着研究人员首次成功地应用可变形零部件，实现整体电池的可弯曲性和可延展性。“迄今为止，还没有任何一个人像在制造锂电池时那样，系统地在应用过可弯曲零件。”在常规锂离子电池里，正负极薄膜与隔膜紧密贴合、卷绕，难以弯折。即使使用单层电极制成薄膜电池，由金属材料制成的集流体一旦弯折，就会导致电极粉末的脱落，而尖锐的褶皱也会破坏电池结构，甚至刺穿正负极之间的隔膜，轻则影响电池性能，重则导致电池自爆。

这款电池的正负两极包含了可弯曲高分子复合材料，其中含有导电碳棒，同时可作为外电子层应用。当电池被拉伸至50％之后，在120 mAg-1下循环50次后，仍可获得28 mAhg-1的可逆容量和20Whkg-1的平均能量密度，确保电池功能的稳定和正常使用。在复合材料的内表面，研究人员应用了一片薄层的纳米片状银粉。由于片状银粉类似于屋顶瓦片的排列方式，所以当弹力纤维拉伸时，片状银粉之间不会失去彼此的联系。这样即使在面临大幅度的拉伸时，也能够保证电极的导电性。如果片状银粉失去彼此间的连接，即使能量比较微弱，但电流仍然可以流过含碳复合材料。

最后，研究人员将正极和负极粉末喷涂到银粉层的精确涂抹区域上，负极由锰酸锂构成，正极是钒氧化物。他们使用了内渗透碳网络的复合聚合物并将导电银片涂在其表面作为集流体，随后通过喷涂法分别将正极（LiMn2O4）和负极（V2O5）材料涂覆在集流体上，从而在集流体和活性材料之间形成稳固的界面。

最后研究人员将两个集流器堆叠在一起，所施加的电极彼此叠置，并由类似于相框的阻挡层隔开，而阻挡层的间隙充满了电解质凝胶。电解质方面，他们采用了聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶复合“water-in-salt”（WiS）水系电解液。最后，将这些柔性组分组装成高弹性的薄膜全电池。研究人员表示这是第一次将正负极、电解质和集流体以柔性的形式集成出可伸缩的柔性电池。

具体来说，水凝胶是一种亲水的三维高分子网络结构凝胶。一方面，它具有类似于橡胶的性质，拥有大量的交联的有机高分子链，链与链之间往往由共价键、氢键或是静电作用力相互交联。研究人员选用的这种水凝胶，通过作用力最强的共价键交联，在受到拉伸时，尽管每一个高分子链都会被拉长，但分子链之间却由于强力的共价键的存在，而不会出现相对滑移。拉力消失时，高分子链收缩，物体又会恢复本来的形状。如果没有这种共价键的作用，拉伸的过程中，链与链之间的滑移就会最终导致材料断裂，无法复原。而在另一方面，亲水的性质让水凝胶可以携带大量的水分。研究人员就把比例适当的高水溶性锂盐溶解进了水凝胶的这些水分之中。

Niederberger教授强调，这种水性胶相比商用电解质更加的绿色环保：“目前的液体电解质是易燃且有毒的。”相较而言，陈曦博士发现的凝胶电解质中的水含有高浓度的锂盐，它在电池充电或放电时不仅能够促进锂离子在正负极之间的流动，还可以防止电解质中的水发生电化学分解。研究人员是用粘合剂将这个电池的多层结构粘合在一起。“如果想要商业推广这款电池，我们会将电池严密地封存起来以确保能够长时间的保存。”Niederberger教授表示。

潜在的应用

现在，每天都有层出不穷的新型电池问世。许多知名的手机制造商都在竞争生产折叠屏的电子产品。其他的产品，比如应用于电脑、智能手表以及平板电脑的可弯曲显示器，或是含有可弯曲电子屏幕的功能型设备——所有的这些都需要一个可弯曲的电力供给。“比如，您折叠这款电池，刚好能够将它装进衣服口袋里，当电池发生泄漏的时候，最重要的是什么呢？就是确保漏出来的液体不会造成任何的损伤，这也正是我们的水性电解质的重要优势所在。”Niederberger教授表示。

实际上，通过在可拉伸的碳聚合物复合材料上，以沉积Ag微薄片作为导电层，可以得到在100％应变下具有约2.7Ω-1的低薄层电阻的集电器。可伸缩电极是通过将活性材料与弹性集电器集成在一起而制成。与此同时，Niederberger教授团队还开发了聚丙烯酰胺“盐包水”电解质，可提供10-3至10-2S cm-1的高离子电导率和在室温下具有出色的拉伸性，约是其原始长度的300％。最后，将所有这些组件组装成薄膜配置的固态锂离子全电池。由于可变形的单个组件，整个单元在拉伸、弯曲甚至扭曲时都可以发挥作用。

不过，Niederberger同时也强调，在电池商业化之前，研究团队仍然需要进行更多的研究优化这款可弯曲电池。综上所述，研究团队还需要在可承受范围内增加电极材料的重量。一位博士研究生最近开始了可伸缩电力供应的精确工作。这款电池的发明者陈曦博士在完成博士论文后已经回到了中国，进入电池行业做咨询顾问。

编译自苏黎世联邦理工大学网站

（责任编辑 姜懿翀）