柔性电池为什么可折叠,你知道吗?

李运琴

2019年07月11日08:51  来源:人民网-科普中国
 

随着科技的发展,柔性电子设备逐渐进入大众的视野。目前,市面上的柔性显示器、可穿戴传感器、柔性发光二极管、印刷射频识别卡等都需要与之匹配的柔性电池才可使用,所以柔性电池的开发成为电池领域又一大前沿课题。

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2017年9月24日,一名参展商在展示石墨烯基柔性锂离子电池。

(苏阳/人民图片)

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柔性电池,从字面意思来说并不难理解,即可以承受弯曲、拉伸、扭曲甚至折叠等形变的电池。今年某公司在2019年世界移动通信大会上发布的一款折叠手机,不但整机很薄,而且透明屏幕可以前后弯曲,其中便使用了柔性电池。因此,为了满足类似的这些可弯曲、可植入、可穿戴的电子产品的需求,亟需发展诸如柔性锂离子电池这类大小不同、形状各异且具有优良力学性能的柔性储能装置或电源。下面,以现在研究相对较多的柔性锂离子电池为例,为大家简单介绍一下柔性电池的构成体系。

构建柔性锂离子电池需要从集流体、电极材料、电解质三个方面入手。传统的集流体用的是金属材料(比如铝正极和铜负极),但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。为解决这些问题,可选用有机聚合物/金属复合物集流体,即将金属材料镀在有机聚合物薄膜的表面,形成既可导电又具柔性的集流体;也可选用基于碳材料的集流体,即利用碳材料导电性好、质量小、表面较粗糙等强于金属材料的性质,将其与活性物质压制成分层的薄片结构,形成完整电极。

传统的锂离子电池中,电极材料(含锂过渡金属氧化物)通常被涂覆在集流体上,但是经过反复弯曲、拉伸、折叠会导致其脱落,故必须考虑脱离集流体限制的、可适应形变要求的独立式电极。例如,基于碳纳米管的独立式电极,由于碳纳米管可提供柔性特质、骨架结构及快速的电子传输路径,并允许材料膨胀等一系列的优点,可提高电极材料的循环性;基于石墨烯材料的独立式电极,石墨烯相较碳纳米管具有一些更优异、独特的性质,其层状结构和大的横纵比可组装成具机械柔性的石墨烯膜电极。除此之外还有一些其它材料,如导电聚合物、可弯曲无机薄膜等也可作为独立式电极材料。

现在全固态电池已经成为二次电池发展的新方向,柔性电池也不例外。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尤为重要,但是目前的电解液或多或少都会存在一些缺点。

时代在进步,科技在发展。相信在科研工作者的努力下,柔性电池在发展中存在的障碍都会被一一解除,未来柔性穿戴、便携式设备、可折叠电子产品行业将会突飞猛进发展。

本文由中科院大学化学科学学院副研究员刘文超进行科学性把关。

(责编:高祥(实习)、董菁)