美國研制出可拉伸鋰離子電池

本刊 賈旭平

美國西北大學和伊利諾伊大學的科研人員開發出了可拉伸的鋰離子電池，這種柔性器件能夠為創新性電子設備提供動力，真正實現電子裝置和電力來源的小型化、延伸性集成。

這款可拉伸電池的功率和電壓都與同尺寸的傳統鋰離子電池無異，但它的柔韌特性卻使其能夠拉伸至原有尺寸的3倍，而不影響自身的功能和運行，并能在之后恢復至原有大小。科研人員展示了這種電池對商用發光二極管的電力供應，即使當其被折疊、延展、扭動和安裝在人類臂肘上時，發光二極管也能保持運轉。新型電池在需要充電前能夠不斷工作8小時至9小時，而充電過程也可通過無線進行。可拉伸電子裝置能應用在任何地方，甚至在人體內也能使用，卻無需通過電源線連接到插座。

1.電池設計

此次研究的對象為袋狀電池，小型儲能元件通過具有卓越伸縮特性的導電網絡連接，具體結構見圖1。圖1（a~c）分別描述了整個電池的示意圖，單體電池的多層分解圖和自相似互聯結構的代表圖。電池的集流體采用光刻型Al圓盤（600 nm）和Cu圓盤（600 nm）。整個結構由100個并聯的電極盤方陣構成。LiCoO2正極漿料和Li4Ti5O12負極漿料經過模壓分別構成正負極活性物質層。兩種層在疊加時中間留有空間像素錯位，這樣不但可以避免電短路，還可以省略掉隔膜。在電池的外圍會使用一種由硅有機化合物彈性體制成的墊片來防止上下層的接觸。膠體電解質注入到空隙中可充當離子傳輸介質。采用一種薄的彈性封裝體粘貼到外表面有助于防止濕氣滲透到電池中，以及防止膠體中的溶劑泄漏出來。如果電池要進行長時間工作，那么封裝也會更復雜。

圖1 電池的總體布局和設計

電池在設計時需達到兩個目標：（1）比表面積容量高，要求活性覆蓋區面積大；（2）高機械伸縮性，要求活性覆蓋區之間有較大距離。研究中采用蛇形配置的自相似線纜結構來滿足伸縮性方面的要求，且可使互聯電阻較低。傳統蛇形結構由直線連接的弧線組成。自相似設計便是重復這種基本結構，如圖1(c)中紅框內所示。圖1(c)中的黃線代表第二個蛇形結構。盡管還能設計和實現更高級別的結構，但是二級構造已經能夠滿足這里的應用要求。圖2是自相似蛇形互聯結構彎曲特性的實驗和計算機模擬研究。在不同拉伸應變(ε)下，對稱(左欄)和反對稱(中間欄)變形模式的光學圖像和相應的有限元分析(FEA）。FEA結果中的顏色代表金屬層的最大主應變。比例尺為2 mm。右欄是釋放所施應力之后的內部互聯結構。

圖2 自相似蛇形互聯結構彎曲特性的實驗和計算機模擬研究

2.電池的電化學性能和機械特性

經過一系列實驗，研究人員發現當正極圓盤的直徑為2.20 mm，負極圓盤的直徑為1.58 mm，錯位距離為0.51 mm時，電池具有最佳的電性能。在這種配置下，當電池未發生變形時，正極占總覆蓋區的33%，負極占17%，整個電池占50%。互聯線的厚度為600 nm，寬度為50 mm。在這些參數下，相鄰盤之間的電阻為24 W，連接線和最遠的盤之間的電阻為45 W。用于外部連接的線非常細，可以避免接口處的拉力，并使其能容易地與連接到外部的柔性線纜（不具備伸縮性）連接。膠體電解質既具有粘性液體的流動性又具有固體的粘結性，因此它在保持離子導電路徑的同時能承受較大的張力。圖3是電池電極在沒有單軸向應變時的電化學性能和在300%單軸向應變時的電化學性能。

圖3 電池的電化學性能和機械特性

3.電池的可拉伸無線充電系統

在許多實際應用中，如植入裝置中，如果能通過無線方式來給電池充電，那么其價值與意義將非同凡響。圖4是無線充電可拉伸系統示意圖。次級線圈將電磁通量與初級線圈連接起來，再通過肖特基二極管整流。并聯的電容器可使輸出電壓變得平穩，其尺寸和厚度都非常小，使其非常容易地集成到整個系統中。在線圈和整流器中間再添加一個2.3 kΩ的串聯電阻，其功能就如同給次級線圈增加一個并聯電阻，它可以對電池進行分流。蛇形次級線圈的電阻為1.92 kΩ/m。如果要提高充電系統的效率，那么可通過增加線圈的寬度和厚度來實現，但是必然會犧牲一定的拉伸性能，并增加折斷系數。因此，可以根據實際需要來決定線圈的寬度和厚度。在本無線充電系統中，初級線圈的輸出功率為187 mW，初級線圈和次級線圈的工作距離為1 mm，次級線圈得到的功率為9.2 mW，效率相當于4.9%。如果將次級線圈的厚度增加到7 mm，那么效率可從4.9%增加到17.2%。

圖4 無線可拉伸充電系統的示意圖