首個(gè)真正可變形的鋰電池來(lái)了！中國(guó)科學(xué)家里程碑突破

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(guò)多年來(lái)持續(xù)不斷的研究，一個(gè)來(lái)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。

根據(jù)該大學(xué)網(wǎng)站的報(bào)道，這種電池遵循商用電池的設(shè)計(jì)。領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的馬克斯·尼德伯格教授稱，有關(guān)可折疊電池的研發(fā)甚至已經(jīng)超越了應(yīng)用于手機(jī)的范疇，對(duì)于使用折疊顯示屏的計(jì)算機(jī)、智能手表和平板電腦等電子產(chǎn)品，可折疊電池都將有很大的價(jià)值。

一旦這項(xiàng)研究成果能夠在未來(lái)得以改進(jìn)并投入商業(yè)化應(yīng)用，或?qū)?duì)未來(lái)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的影響。

DeepTech 獨(dú)家專訪到了本文的第一作者、可拉伸鋰離子電池的主要發(fā)明人——蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院陳曦博士，為您帶來(lái)此次研究以及折疊電池未來(lái)發(fā)展的深度解讀。

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，因此，今年也被認(rèn)為是“折疊元年”。

繼多攝像頭、人工智能、全面屏之后，可折疊很有可能將成為未來(lái)手機(jī)不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)展也一直吸引著科技和商業(yè)界的持續(xù)關(guān)注。

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。從三星到京東方，可折疊 OLED 顯示屏是電子行業(yè)近年來(lái)最值得驕傲的技術(shù)突破之一。但除了屏幕，可折疊手機(jī)里的其它部件其實(shí)和普通手機(jī)并沒(méi)有太大的差別。這不僅意味著，在手機(jī)兩個(gè)部分的連接處無(wú)法布置更多其它元器件，更意味著除了負(fù)責(zé)彎曲的鉸鏈之外，可折疊手機(jī)的其它部分依然“寧折不彎”，稍有不慎，依然有著損壞、甚至自爆的風(fēng)險(xiǎn)。

而自爆的原因，正是來(lái)源于電池。

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)盡管性能極佳，但一旦氣密性不好，導(dǎo)致電池遭空氣中的氧氣或者水分侵入，就有可能發(fā)生危險(xiǎn)的副反應(yīng)，導(dǎo)致電池鼓包、自燃，甚至產(chǎn)生劇毒的氫氟酸(HF)。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(wú)從談起。

而另一方面，用于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的正負(fù)極，是由粉狀的電極材料沉積在銅箔和鋁箔——也就是集流體上面制成的。顧名思義，所謂的集流體就是電池里存放電極材料、匯集和傳導(dǎo)電流的部件。

在常規(guī)鋰離子電池里，正負(fù)極薄膜與隔膜緊密貼合、卷繞，難以彎折。即使使用單層電極制成薄膜電池，由金屬材料制成的集流體一旦彎折，就會(huì)導(dǎo)致電極粉末的脫落，而尖銳的褶皺也會(huì)破壞電池結(jié)構(gòu)，甚至刺穿正負(fù)極之間的隔膜，輕則影響電池性能，重則同樣導(dǎo)致電池自爆。

因此，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。

研究人員必須為電池里的每一個(gè)元器件都找到全新的材料，在保證形變的同時(shí)，還能兼顧電池的安全。而且，組成不同部件的不同材料之間，其電化學(xué)功能性還要相互兼容，否則，能讓一個(gè)部件正常工作的電壓，很有可能會(huì)引起另一個(gè)部件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)甚至失效。

一直以來(lái)，為電池里所有的部件都找到可以相互適配的可形變材料，一直是電池研究領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們孜孜以求的課題。陳曦表示，他們進(jìn)行這個(gè)課題研究的前兩年，基本上都是在試錯(cuò)。找到正確的研究方向后，又繼續(xù)花了兩年時(shí)間，才終于為鋰離子電池的每一個(gè)組成部分都找到了合適的解決方案，制造出了世界上第一塊可折疊、可變形的鋰離子電池。

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。

所謂的固態(tài)鋰離子電池，指的是電池中用來(lái)傳遞鋰離子的電解質(zhì)不是上文提到的有機(jī)溶劑與鋰鹽的溶液，而是一種固體。值得一提的是，剛剛于 10 月 9 日獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的約翰·B·古迪納夫，其于 2017 年發(fā)表的最新研究成果，也是一款固態(tài)鋰離子電池。

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)。陳曦他們選用的這種水凝膠，通過(guò)作用力最強(qiáng)的共價(jià)鍵交聯(lián)，在受到拉伸時(shí)，盡管每一個(gè)高分子鏈都會(huì)被拉長(zhǎng)，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(lái)的形狀。如果沒(méi)有這種共價(jià)鍵的作用，拉伸的過(guò)程中，鏈與鏈之間的滑移就會(huì)最終導(dǎo)致材料斷裂，無(wú)法復(fù)原。

而在另一方面，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。

之前有研究顯示，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。相比于易燃、易爆、劇毒的商用電解質(zhì)，水性電解質(zhì)有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)——安全。它不會(huì)與空氣中的水和氧氣發(fā)生反應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生氫氟酸。

這意味著，由這種電解質(zhì)制成的電池不僅在使用的過(guò)程中不可燃、無(wú)毒，還可以直接在空氣中進(jìn)行組裝，而傳統(tǒng)的鋰電池必須在充滿氬氣的特殊環(huán)境下才能保證安全生產(chǎn)。再加上水凝膠出色的彈性機(jī)械性能，他們便研制出了一種可以很容易地拉伸、扭曲，還十分安全的新型電解質(zhì)。

有了電解質(zhì)，還需要解決用來(lái)存放正負(fù)極材料的集流體。前面說(shuō)到，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(lái)，那么電極不就也可以形變了嗎?

這件事情的困難之處在于，對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，可以彈性形變和導(dǎo)電性良好，往往是一對(duì)矛盾的需求。有彈性的橡膠是很好的絕緣體，導(dǎo)電性能良好的金屬、甚至是導(dǎo)電塑料，都彈性不足。通過(guò)不斷的試驗(yàn)，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)了上面這兩個(gè)目標(biāo)。

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(wèn)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(lái)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“手腳”還能繼續(xù)搭在另一片的“身體”上，讓電流的通過(guò)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。研究人員發(fā)現(xiàn)，即便拉伸到一倍長(zhǎng)度，這種集流體的單位表面導(dǎo)電性也僅有少量降低，表現(xiàn)非常優(yōu)異。

最后，他們用噴涂沉積的方法，把正負(fù)極材料和集流體結(jié)合了起來(lái)，又用了一種類似于相框的結(jié)構(gòu)，把集流體和電解質(zhì)封裝在了一起，便制成了可折疊電池的成品。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，整個(gè)電池在被拉伸 50% (即便手機(jī)被掰彎，電池也很難拉伸這么多)、充放電循環(huán) 50 次之后，仍然擁有 28 mAh g−1 的可重復(fù)使用電量和 20 Wh kg−1 的能量密度，表明了其在極限機(jī)械壓力下仍然擁有可靠的可重復(fù)充放電性能。

對(duì)于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，這意味著他們將第一次可以擁有這樣的想法：除了屏幕和電路，電池也能跟著一起彎！而這將很有可能催生出一系列全新的電子產(chǎn)品。

上面提到的可折疊手機(jī)就不用多說(shuō)了，未來(lái)可折疊手機(jī)的形態(tài)將很可能發(fā)生改變。

這種電池還可以被安裝在平板電腦、智能手表上。你可以想象一下，也許以后的智能手表會(huì)徹底變成了一個(gè)柔性的“智能腕帶”，而電池也不必安裝在表盤(pán)下面，而是可以藏在表帶里了。

各種醫(yī)療、體育訓(xùn)練用的可穿戴設(shè)備，也終于可以完美“貼身”，甚至于你的外套、書(shū)包本身，可能就是一塊飄逸、安全的電池織物。

而在無(wú)人銷售便利店里，可形變的電池也可以變成貼在商品身上的有源電子標(biāo)簽的一部分，在產(chǎn)品從生產(chǎn)加工到銷售、甚至快遞上門(mén)的全過(guò)程中，為溯源、標(biāo)價(jià)、定位芯片提供持續(xù)不斷的電力供應(yīng)。

然而，陳曦表示，他只是實(shí)現(xiàn)了可折疊電池的“從無(wú)到有”的第一步。在進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用之前，這項(xiàng)可拉伸電池技術(shù)還有很遠(yuǎn)的路要走。

首先，這款電池的性能還無(wú)法和成熟的商用電池相媲美，需要顯著提高能量密度;

其次，需要繼續(xù)優(yōu)化充放電的控制和改進(jìn)封裝工藝，以延長(zhǎng)其循環(huán)壽命;

第三，則是降低電池的成本。作為世界上第一款可以彎折的全電池，他們所采用的部分材料成本還是較高的，很難在商業(yè)性上和主流電池相抗衡。

陳曦所在的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步的研究了。也許用不了多久，你不小心坐到自己放在沙發(fā)上的平板電腦上時(shí)，就再也不會(huì)有心痛的感覺(jué)了。

參考：

https://www.howtogeek.com/425488/why-do-phones-explode-and-how-to-prevent-it/

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/09/battery-with-a-twist.html

Chen X, Huang H, Pan L, Liu T, Niederberger M. Fully Integrated Design of a Stretchable Solid‐State Lithium‐Ion Full Battery. Adv.Mater.2019, first published: 06 September 2019 doi: 10.1002/adma.201904648

https://www.technologyreview.com/f/613011/huawei-has-unveiled-a-foldable-smartphone-called-mate-x-but-it-costs-2600/

https://www.cnbeta.com/articles/tech/893787.htm

https://jacksonfire.co.uk/can-reduce-fire-risks-mobile-devices/