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，即將金屬材料鍍在有機(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
