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首个真正可变形的锂电池来了!中国科学家里程碑突破

首个真正可变形的锂电池来了!中国科学家里程碑突破

图丨 世界首款可拉伸薄膜锂离子电池原型(来源:陈曦)图

文/靖海

根据该大学网站的报道,这种电池遵循商用电池的设计。领导团队的马克斯·尼德伯格教授称,有关可折叠电池的研发甚至已经超越了应用于手机的范畴,对于使用折叠显示屏的计算机、智能手表和平板电脑等电子产品,可折叠电池都将有很大的价值。

一旦这项研究成果能够在未来得以改进并投入商业化应用,或将对未来电子产品的设计产生革命性的影响。

DeepTech 独家专访到了本文的第一作者、可拉伸锂离子电池的主要发明人——苏黎世联邦理工学院陈曦博士,为您带来此次研究以及折叠电池未来发展的深度解读。

首个真正可变形的锂电池来了!中国科学家里程碑突破

图丨 可拉伸薄膜锂离子电池的发明人——苏黎世联邦理工学院陈曦博士(来源:陈曦)

今年上半年,手机行业巨头三星和华为相继发布了自己的可折叠手机,惊艳全球,吊足了全世界消费者的胃口,小米也在不久前发布其首款折叠概念手机小米 MIX alpha,因此,今年也被认为是“折叠元年”。

继多摄像头、人工智能、全面屏之后,可折叠很有可能将成为未来手机不可避免的发展趋势,相关的技术和产品进展也一直吸引着科技和商业界的持续关注。

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图丨华为首款可折叠手机(来源:MIT Technology Review)

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图丨小米首款 5D 环绕屏概念手机(来源:小米)

现有的可折叠手机之所以可以折叠,仰赖的是柔性屏幕。从三星到京东方,可折叠 OLED 显示屏是电子行业近年来最值得骄傲的技术突破之一。但除了屏幕,可折叠手机里的其它部件其实和普通手机并没有太大的差别。这不仅意味着,在手机两个部分的连接处无法布置更多其它元器件,更意味着除了负责弯曲的铰链之外,可折叠手机的其它部分依然“宁折不弯”,稍有不慎,依然有着损坏、甚至自爆的风险。

而自爆的原因,正是来源于电池。

一块锂离子电池的结构,可以被理解成是一个“三明治”,夹在中间的是负责传递锂离子的电解质/隔膜,而位于上下两端的是负载正负极材料、并收集和传导电流的集流体。

目前主流商业锂离子电池的电解质,是易燃易爆的有机溶剂和锂盐组成的溶液,是一种液体。这种电解质尽管性能极佳,但一旦气密性不好,导致电池遭空气中的氧气或者水分侵入,就有可能发生危险的副反应,导致电池鼓包、自燃,甚至产生剧毒的氢氟酸(HF)。因此,主流的商用电池必须用钢制或者铝制的坚硬外壳紧密包裹,防止电解液与外界的接触。有着如此坚硬的外壳,折叠自然无从谈起。

而另一方面,用于发生电化学反应的正负极,是由粉状的电极材料沉积在铜箔和铝箔——也就是集流体上面制成的。顾名思义,所谓的集流体就是电池里存放电极材料、汇集和传导电流的部件。

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,重则同样导致电池自爆。

首个真正可变形的锂电池来了!中国科学家里程碑突破

图丨千万不要轻易测试你的手机的抗弯性能——暴力导致的变形是手机自爆主要原因之一(来源:rankbank)

因此,要想实现电池的可折叠,依赖现有的材料是不可能的。

研究人员必须为电池里的每一个元器件都找到全新的材料,在保证形变的同时,还能兼顾电池的安全。而且,组成不同部件的不同材料之间,其电化学功能性还要相互兼容,否则,能让一个部件正常工作的电压,很有可能会引起另一个部件发生化学反应甚至失效。

一直以来,为电池里所有的部件都找到可以相互适配的可形变材料,一直是电池研究领域的科学家和工程师们孜孜以求的课题。陈曦表示,他们进行这个课题研究的前两年,基本上都是在试错。找到正确的研究方向后,又继续花了两年时间,才终于为锂离子电池的每一个组成部分都找到了合适的解决方案,制造出了世界上第一块可折叠、可变形的锂离子电池。

他们的最终方案,是一种同样按照“三明治”结构制成的可折叠的固态锂离子电池。

所谓的固态锂离子电池,指的是电池中用来传递锂离子的电解质不是上文提到的有机溶剂与锂盐的溶液,而是一种固体。值得一提的是,刚刚于 10 月 9 日获得诺贝尔化学奖的约翰·B·古迪纳夫,其于 2017 年发表的最新研究成果,也是一款固态锂离子电池。

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陈曦他们选用的电解质,则是一种介于液体和固体之间的特殊物质——水凝胶。

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。陈曦他们选用的这种水凝胶,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。

之前有研究显示,这种具有极高浓度的锂盐水溶液可以用于制作锂离子电池的电解液。相比于易燃、易爆、剧毒的商用电解质,水性电解质有一个明显的优势——安全。它不会与空气中的水和氧气发生反应,也不会产生氢氟酸。

这意味着,由这种电解质制成的电池不仅在使用的过程中不可燃、无毒,还可以直接在空气中进行组装,而传统的锂电池必须在充满氩气的特殊环境下才能保证安全生产。再加上水凝胶出色的弹性机械性能,他们便研制出了一种可以很容易地拉伸、扭曲,还十分安全的新型电解质。

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图丨 可折叠电池结构示意图(来源:ETH Zurich)

有了电解质,还需要解决用来存放正负极材料的集流体。前面说到,使用了铜箔、铝箔的商用电极是不可以弯折的,但如果把电极粉末和可以形变、还导电性良好的材料结合起来,那么电极不就也可以形变了吗?

这件事情的困难之处在于,对于材料来说,可以弹性形变和导电性良好,往往是一对矛盾的需求。有弹性的橡胶是很好的绝缘体,导电性能良好的金属、甚至是导电塑料,都弹性不足。通过不断的试验,研究人员设计出了一种由四种材料复合而成的特殊结构,同时实现了上面这两个目标。

第一种材料,是一层由有弹性的聚合物制成的薄膜,作为集流体的基底;第二和第三种材料,是分散在基底里面的碳纳米管和碳黑颗粒。这些可以导电的填充物,让基底拥有了一定的导电性。而彻底解决导电性问题,最关键的是第四种材料——沉积在基底表面的一层银胶。

从微观上来看,这种结构里的金属银是一堆层层叠叠在一起的六角形的二维片状结构。它们有的固定在基底上,有的则像瓦片一样搭在别的银片上,集合在一起就形成了一个良好的电子通路。当集流体被拉伸时,银片之间会发生相对的滑移,但依然可以保证这一片的“手脚”还能继续搭在另一片的“身体”上,让电流的通过不受影响。即便在少数的局部地方,银片之间出现了完全的脱离,分散在基底里的碳纳米管和碳黑颗粒也能起到传导电流的作用。研究人员发现,即便拉伸到一倍长度,这种集流体的单位表面导电性也仅有少量降低,表现非常优异。

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图丨集流体上负责传导电流的银胶层(来源:doi: 10.1002/adma.201904648)

最后,他们用喷涂沉积的方法,把正负极材料和集流体结合了起来,又用了一种类似于相框的结构,把集流体和电解质封装在了一起,便制成了可折叠电池的成品。

经过测试,整个电池在被拉伸 50% (即便手机被掰弯,电池也很难拉伸这么多)、充放电循环 50 次之后,仍然拥有 28 mAh g−1 的可重复使用电量和 20 Wh kg−1 的能量密度,表明了其在极限机械压力下仍然拥有可靠的可重复充放电性能。

对于电子产品设计者来说,这意味着他们将第一次可以拥有这样的想法:除了屏幕和电路,电池也能跟着一起弯!而这将很有可能催生出一系列全新的电子产品。

上面提到的可折叠手机就不用多说了,未来可折叠手机的形态将很可能发生改变。

这种电池还可以被安装在平板电脑、智能手表上。你可以想象一下,也许以后的智能手表会彻底变成了一个柔性的“智能腕带”,而电池也不必安装在表盘下面,而是可以藏在表带里了。

各种医疗、体育训练用的可穿戴设备,也终于可以完美“贴身”,甚至于你的外套、书包本身,可能就是一块飘逸、安全的电池织物。

而在无人销售便利店里,可形变的电池也可以变成贴在商品身上的有源电子标签的一部分,在产品从生产加工到销售、甚至快递上门的全过程中,为溯源、标价、定位芯片提供持续不断的电力供应。

首个真正可变形的锂电池来了!中国科学家里程碑突破

图丨 经过极限拉伸之后,电池仍能保持优异的性能(来源:陈曦)

然而,陈曦表示,他只是实现了可折叠电池的“从无到有”的第一步。在进入大规模商业化应用之前,这项可拉伸电池技术还有很远的路要走。

首先,这款电池的性能还无法和成熟的商用电池相媲美,需要显著提高能量密度;

其次,需要继续优化充放电的控制和改进封装工艺,以延长其循环寿命;

第三,则是降低电池的成本。作为世界上第一款可以弯折的全电池,他们所采用的部分材料成本还是较高的,很难在商业性上和主流电池相抗衡。

陈曦所在的苏黎世联邦理工学院的研究团队,已经开始针对上述问题展开进一步的研究了。也许用不了多久,你不小心坐到自己放在沙发上的平板电脑上时,就再也不会有心痛的感觉了。

参考:

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/

本文素材来自互联网

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