2019-12-23 13:29:36 界面新闻 　 作者： 徐宁  

为了跟上可折叠手机的发展，未来的电池也将变得更加灵活。

据每日科学网(Science Daily)9月报道，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的马克斯·尼德伯格(Markus Niederberger)教授和他的研究团队，开发出了一种柔性薄膜电池的原型。

这种新型电池可以在不中断供电的情况下折叠、弯曲甚至拉伸。

柔性薄膜电池的原型。图片来源：苏黎世联邦理工学院

该电池像三明治一样分层制造，在两个可伸缩的集电器之间依次是阴极、水凝胶电解质、PDMS框架和密封层、阳极。

这是研究人员首次使用具有不同电化学理化性质的弹性复合材料，构建电池中的所有必要组件。这些弹性复合材料可使电池在弯曲或拉伸的状态保持正常运作。

新型电池的分层结构。图片来源：苏黎世联邦理工学院

锂离子电池一般由集电器、电极材料、电解质三部分组成。

集电器的功用，主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来，以便形成较大的电流对外输出。

传统的集电器用的是金属材料，金属除了具有质量大、表面光滑等会影响电池容量和循环性能的缺点，还会在反复弯曲、拉伸、折叠过程中造成不可逆形变，致使电池失效。

该新型电池的外层集电器，由聚合物复合材料制成，材料里含有导电碳，在其内表面上，还有一层微米级的银薄片。

研究人员将这些银薄片像屋顶瓦片一般重叠排列。当电池被拉伸时，银薄片之间不会彼此失去接触，这保证了集电器的导电性。

即使电池的拉伸幅度过大，银薄片之间失去了接触，电流仍然可以流过含碳的复合材料，只是电流会稍微变弱。

两个集电器之间，叠放了由锰酸锂组成的阴极和由钒氧化物制成的阳极，两极之间由一个类似于相框的PDMS框架和密封层隔开，PDMS框架的间隙填充了水性凝胶复合电解质。

该电池与其它电池最大的不同之处，在于其填充的水凝胶电解质。这种新型电解质由马克斯的博士生陈曦发明。

水凝胶是一种亲水的三维高分子网络结构凝胶。它拥有大量交联的有机高分子链，受到拉伸时，每一个高分子链会被拉长，但由于分子链之间有共价键的存在，不会出现相对滑移。拉力消失时，高分子链收缩，物体又能恢复本来的形状。

马克斯表示，现有电池中的液体电解质易燃、有毒，这种凝胶电解质更为环保和安全。

因为水凝胶电解质中还含有高浓度的锂盐水溶液，这有助于锂离子在电池充放电时在正负极之间流动，且还能防止发生电化学分解。

这意味着，如果发生电池泄漏，该凝胶电解质可以确保流出的液体不会造成破坏性后果。

新型电池可以在不停止电源的情况下弯曲、拉伸甚至扭曲。图片来源：苏黎世联邦理工学院

马克斯认为，该新型电池不仅能应用于手机，还可以用于电脑、智能手表、平板电脑，甚至可用于智能纺织品上。

经过测试，整个电池在被拉伸50%、充放电循环50次之后，约拥有20 Wh kg−1的能量密度。

1991年，锂离子电池首次商业化的可重复使用电量能量密度为80 Wh kg−1。

马克斯也表示，如果想把该电池推向商业市场，还需要更多的研究。例如该电池如何在较长的时间内保持密封、如何增加能容纳电极材料的数量等。

随着三星Galaxy Fold、华为Mate X等折叠手机问世，柔性电池正受到越来越多的人关注。

早在几年前，已有多家研究机构和企业开始在这一电池领域进行突破。

2015年，三星曾在韩国电池展览会上公布了Stripe和Band两个电池柔性电池系列，这类柔性电池的厚度只有0.3 mm，可用于智能手环、项链、T恤配饰等可穿戴式设备。

次年，瑞典林雪平大学(Linkoping)有机电子学实验室的研究人员也发明一款被称为“纸电池”(Power Paper)的柔性电池。

纸电池。图片来源：电池中国网

该纸电池由导电聚合物与植物纤维素、甘油等物质进行合理配比，以实现电池效果。该纸电池容量为26800毫安，约为普通手机锂电池容量的十倍。

对柔性锂电池而言，传统电解液的流动性往往会限制其大小和形状。

今年初，由韩国蔚山国家科学技术研究院(UNIST)李相英(Sang-Young Lee)教授领导的研究小组，研发出了一种适合作为固态电池的电解液，有望成为未来柔性电池的原材料。

该研究小组利用多孔晶体材料作为离子导体，让锂离子可以有选择性地、高效地通过离子通道，这种固体离子导体可以代替传统电池中易爆炸的电解液，为新型柔性电池的设计提供了新方向。