正在阅读: 工业之美|一款可折叠、能弯曲的电池,拉长一半也照样供电

扫一扫下载界面新闻APP

工业之美|一款可折叠、能弯曲的电池,拉长一半也照样供电

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。

图片来源:苏黎世联邦理工学院

记者 | 徐宁

编辑 |

1

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。

未经正式授权严禁转载本文,侵权必究。
表情
您至少需输入5个字

评论 0

暂无评论哦,快来评价一下吧!

为你推荐

下载界面新闻

微信公众号

微博