柔性電池研發(fā)進(jìn)展

劉春娜

儲(chǔ)能器件是便攜式柔性電子產(chǎn)品的核心部件，研究人員能否開(kāi)發(fā)出高性能柔性儲(chǔ)能器件，如柔性鋰離子電池、柔性太陽(yáng)電池等各種柔性電池，是柔性電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

1 各科研機(jī)構(gòu)關(guān)于柔性電池的研發(fā)動(dòng)態(tài)

中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的輝能科技公司自行研發(fā)設(shè)計(jì)的超薄柔性陶瓷鋰電池FLCB(FPC Lithium Ceramtc Battery)采用了FPC軟性電路板和固態(tài)電解質(zhì)，目前已獲得專(zhuān)利。FLCB除了能有效充當(dāng)Pebble智能手表的電池外，還大幅增加了電池存儲(chǔ)容量。一塊182 mm×230 mm×0.4 mm 的FLCB容量為 1000~1400 mAh。該電池可以像紙一樣任意被裁減，但和紙不同的是，在折彎、捶擊、金屬剪裁、刺穿和700~1300℃的高溫噴槍火燒下都不會(huì)起火或爆炸。在2014年臺(tái)北國(guó)際電腦展(Computex)演示中，輝能科技將其超薄柔性鋰電池截成幾段，但它們?nèi)匀荒芙oLED燈供電。這種超薄電池共有3~5層組成，但厚度卻只有1.5 mm，堪稱(chēng)可穿戴產(chǎn)品的理想元件(包括智能眼鏡、頭戴式顯示裝置、發(fā)光的衣服、發(fā)熱元件、智能手表等)。這種電池屬于固態(tài)，這意味著它們不會(huì)像鋰電池那樣容易變性，同時(shí)，由于它們屬于不易燃的材料，即便被撕成碎片，也不會(huì)起火或爆炸。HTC One Max手機(jī)內(nèi)含電池的“HTC Power Flip Case可翻式電源擴(kuò)展保護(hù)套”用的就是輝能公司的FLCB。保護(hù)套內(nèi)采用了五片F(xiàn)LCB，共提供1150 mAh的電源，并通過(guò)接口直接為手機(jī)充電。雖然HTC并沒(méi)有把FLCB彎曲的性能放在Power Flip Case上，但其實(shí)它雖然五片疊在一起仍可以彎曲。單片的FLCB可以做到動(dòng)態(tài)彎曲達(dá)15~17 mm、XY軸彎曲可達(dá)五萬(wàn)次、Z軸彎曲則達(dá)兩萬(wàn)次，而厚度僅0.32~0.36 mm。由于FLCB主要是把鋰電池正負(fù)極中間的液態(tài)電解液及隔離層，利用固態(tài)陶瓷電解質(zhì)取代，因此可以抵擋更強(qiáng)的沖擊，也不用擔(dān)心因破壞鋰電池而有漏液、爆炸的情況。公司已經(jīng)在生產(chǎn)與表帶類(lèi)似的兩件套設(shè)計(jì)產(chǎn)品，連接表盤(pán)兩端，既可以用作表帶也可以提供電力。另外，還有一種可以與現(xiàn)有表帶直接連接的產(chǎn)品，無(wú)需再次更換表帶，使用方便。

美國(guó)萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新型的超薄、高性能、柔性無(wú)鋰電池，其厚度不到1/100英寸(254μm)，卻擁有超級(jí)電容器般的優(yōu)良性能，并且能夠在萬(wàn)次充放電、或者千次彎折之后，仍然保持76%的容量。其質(zhì)量比能量達(dá)384 Wh/kg，比功率達(dá)112 kW/kg，且可以用于智能手表和健身設(shè)備。科學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)900 nm厚的材料層上創(chuàng)建了很多直徑5 nm的洞，這個(gè)輔助材料表面增加了更多能源存儲(chǔ)的地方，然后外面用電解液制成的電極封閉。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，電池可以快速充放電，且當(dāng)放慢充電速度的時(shí)候，也可以放慢放電的速度。這種新型電池采用了多孔鎳氟化物薄膜作為電極材料。鎳氟電極外面包覆著固態(tài)電解質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)可形成一個(gè)高效的能源存儲(chǔ)裝置(結(jié)合了電池和超級(jí)電容的最佳優(yōu)點(diǎn))。在被聚合物保護(hù)起來(lái)之后，這種薄膜儲(chǔ)能裝置甚至能夠在被彎曲1000次以后，仍舊保持電池和超級(jí)電容的優(yōu)良特性。

新澤西理工大學(xué)(NJIT)的研究人員與韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院、斯坦福大學(xué)以及LG公司合作，研制出柔性碳納米管電池并獲得專(zhuān)利。預(yù)計(jì)該技術(shù)可運(yùn)用到帶柔性顯示屏的電子設(shè)備上，并且可以被制成各種形狀和大小，甚至自己在家都能DIY。每塊電池都由軟塑料襯底制成，上面布滿了碳納米管和“微粒子”。對(duì)于堿性電池來(lái)說(shuō)，這些粒子可以是鋅或二氧化錳(或者是鋰電池中的鋰鹽)。其目標(biāo)則是利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，并將它們轉(zhuǎn)換到柔性平臺(tái)上。采用該技術(shù)制成的電池，可以被做成任意大小和形狀，從針尖大小的微電池，到像客廳地毯那樣的一大張。甚至還柔軟到可以被卷起來(lái)置于后備箱中，并驅(qū)動(dòng)車(chē)子。此外，消費(fèi)者也有可能DIY自制電池，以迎合特殊的需求。通過(guò)一套工具，人們可以將兩張帶電極的塑料封皮和中層隔板粘上，然后用層壓機(jī)整合到一起。

美國(guó)加州的Imprint Energy公司正在研發(fā)一種可通過(guò)普通工業(yè)顯示屏打印機(jī)制作的柔性超薄鋅聚合物電池，并已經(jīng)開(kāi)始在腕帶設(shè)備當(dāng)中進(jìn)行測(cè)試，希望將該技術(shù)出售給可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、智能標(biāo)簽和環(huán)境傳感器制造商。該公司所制作的電池可被安全應(yīng)用在人體穿戴設(shè)備上，其較小的體形和柔韌性則可以打破產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的種種限制。雖然體形很小，但這種電池足以為低功耗無(wú)線通訊傳感器提供足夠的電流，使其和其他類(lèi)型的超薄電池有所區(qū)別。大多數(shù)筆記本和智能手機(jī)所使用的電池當(dāng)中都含有鋰，鋰元素性質(zhì)活潑，想要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)則不可避免地要增加電池尺寸和體積。雖然鋅的穩(wěn)定性更高，但傳統(tǒng)鋅電池中含水的電解液會(huì)致使其產(chǎn)生枝晶，從而縮短電池壽命。Imprint Energy研發(fā)出的固態(tài)聚合物電解液，避免了該問(wèn)題的出現(xiàn)，并帶來(lái)了更高的穩(wěn)定性和更大容量。電池結(jié)合了薄膜鋰電池和打印電池的最佳特性。薄膜鋰電池雖然可重復(fù)充電，但由于包含鋰元素，容量受限，且生產(chǎn)成本較高；打印電池一般會(huì)使用鋅元素，容量較高，制作成本低廉，但不可充電。鋅元素的使用讓公司具備了生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殇\的穩(wěn)定性，公司并不需要制作對(duì)氧氣敏感的鋰離子電池所需要的防護(hù)裝備。雖然市場(chǎng)對(duì)于柔性電池已經(jīng)產(chǎn)生了需求，但柔韌度的測(cè)量還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此公司為想要對(duì)比兩種電池的客戶搭建了自己的測(cè)試裝置，并開(kāi)始對(duì)自家電池和其他已經(jīng)發(fā)布的柔性電池進(jìn)行比較和評(píng)分。在1000個(gè)彎折循環(huán)之后，其他電池就已經(jīng)徹底損壞，但該公司的電池卻依然能保持穩(wěn)定。該公司最近從鳳凰城創(chuàng)投公司和AME云創(chuàng)投公司獲得了600萬(wàn)美元的資金，從而進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其擁有專(zhuān)利的化學(xué)產(chǎn)品，并進(jìn)行電池的商業(yè)發(fā)布。前期投資者包括美國(guó)中央情報(bào)局支持的風(fēng)險(xiǎn)投資公司帕琉斯，以及陶氏化學(xué)公司。

英國(guó)航空航天系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)出一款名為“大刀”的采用柔性電池的新型作戰(zhàn)服來(lái)解決美國(guó)地面部隊(duì)巡邏時(shí)隨身攜帶裝備過(guò)重的問(wèn)題。多年來(lái)，無(wú)線電裝置和其他各種電子設(shè)備越來(lái)越多地掛滿武裝部隊(duì)士兵的防彈衣，從而使其無(wú)法輕裝前進(jìn)。該作戰(zhàn)服含有可以導(dǎo)電并且無(wú)需借助電纜即可傳輸數(shù)據(jù)的織物，從而可使戰(zhàn)斗部隊(duì)減少所攜帶的電池，并且通過(guò)把裝備插入作戰(zhàn)服或感應(yīng)式“充電袋”來(lái)對(duì)裝備進(jìn)行充電。由于這種織物構(gòu)造方面的原因，電力和數(shù)據(jù)的傳輸可以有無(wú)數(shù)種方式。美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)都在對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。該作戰(zhàn)服的供電來(lái)自背部的一塊柔性電池，每當(dāng)士兵坐到安裝在汽車(chē)座位上的“充電板”上時(shí)，該電池便能得到充電。雖然該作戰(zhàn)服的導(dǎo)電織物使用的材料沒(méi)有透露，但已經(jīng)證明這種作戰(zhàn)服不會(huì)讓士兵遭到電擊，而且其內(nèi)部包括一個(gè)電力管理系統(tǒng)，可以讓士兵們開(kāi)啟或關(guān)閉所選裝置的充電過(guò)程。該作戰(zhàn)服與現(xiàn)有的無(wú)線電設(shè)備兼容，這一特點(diǎn)將會(huì)使其較快在部隊(duì)中得到列裝。

不列顛哥倫比亞大學(xué)的可穿戴電子產(chǎn)品研究項(xiàng)目最近獲得了加拿大自然科學(xué)與工程技術(shù)研究理事會(huì)（NSERC）超過(guò)100萬(wàn)美元新資金。該研究項(xiàng)目主要研發(fā)柔性太陽(yáng)電池和可穿戴電子產(chǎn)品。研發(fā)團(tuán)隊(duì)正設(shè)法將柔性太陽(yáng)電池和其他電子元件集成到可穿戴電子產(chǎn)品——內(nèi)嵌電子傳感器或太陽(yáng)能板的紡織品和服裝，包括通過(guò)編織嵌入的太陽(yáng)電池給移動(dòng)設(shè)備充電的服裝、可折疊式移動(dòng)設(shè)備，以及內(nèi)嵌傳感器能夠監(jiān)測(cè)生命特征并將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)科醫(yī)生的服裝。

LG成功研發(fā)出一款柔性電池，它可以填充設(shè)備當(dāng)中一些多余的空間，并且增加了16%的電池能量密度，能讓智能手機(jī)擁有更好的續(xù)航表現(xiàn)。在未來(lái)的一些可穿戴產(chǎn)品上，設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)多樣化的造型，這種電池可以任意彎曲使用，并且具有很好的耐磨性，在使用過(guò)程中基本不會(huì)發(fā)熱。近兩年來(lái)手機(jī)屏幕越來(lái)越大、分辨率越來(lái)越高，處理器也提升至四核高頻，這些高功耗的操作都對(duì)電池提出了更高要求。LG量產(chǎn)成功的這種可彎曲電池能夠填補(bǔ)設(shè)備中空隙的地方，將被應(yīng)用于智能手機(jī)、智能手表以及智能眼鏡等上面。

三星公司展示了一款可彎曲電池。該電池具有極大的柔韌度，即便彎成一個(gè)“U”字形仍然能夠正常運(yùn)作。這項(xiàng)技術(shù)是專(zhuān)為可穿戴式智能設(shè)備而開(kāi)發(fā)的，意味著下一代的Samsung Gear除了體積和凈重會(huì)有大幅降低之外，其外形設(shè)計(jì)也可以更接近當(dāng)下的名貴手表。不過(guò)，外形雖然可以更有彈性，但是電池容量才是最重要的事，關(guān)注者期望這種電池同時(shí)能大大延長(zhǎng)便攜穿戴式智能設(shè)備的使用時(shí)間。

韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)科技學(xué)院利用納米科技開(kāi)發(fā)出柔性電池。電池的正極部份用一氧化鎳取代現(xiàn)行的鋰鈷氧化物，能提高20%的充電效能。他們還在表面涂鍍含釩的混合氧化物，電力傳導(dǎo)因此增加兩倍多，鋰離子的活性也提升3倍多。負(fù)極部分，研究人員用膨脹石墨取代天然石墨，導(dǎo)電性提高13倍；且在表層涂鍍10 nm的非晶硅粒子，電池效能可增加60%。另外，電流集電器表面切割為納米蜂巢結(jié)構(gòu)，附著度提高1.7倍，電極材料能承受多次彎折也不會(huì)脫落。

芬蘭諾基亞的帶狀柔性電池專(zhuān)利也被曝光。諾基亞這款柔性電池的外形酷似“瑞士卷”，采用帶狀設(shè)計(jì)，由一條電池帶組成，后者被拆分成了兩個(gè)區(qū)域：陽(yáng)極和陰極，與中間部分相連。在真空的狀態(tài)下，若干條帶狀電池的連接部分被疊加在一起，形成了一條完整的電池。這種卷曲的電池技術(shù)有可能應(yīng)用于智能手機(jī)、音樂(lè)播放器、筆記本電腦或是游戲設(shè)備。不過(guò)，雖然這種電池能夠彎曲到比較夸張的程度，但是最終成型的設(shè)備應(yīng)該無(wú)法像這樣卷起來(lái)。盡管諾基亞在專(zhuān)利中并未提及可穿戴設(shè)備的應(yīng)用，不過(guò)這還是讓人們對(duì)諾基亞的智能手表有了更多期待。

諾基亞帶狀柔性電池專(zhuān)利曝光

德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)應(yīng)用聚合物研究所成功在柔性玻璃上制作出了有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池。此舉將可消除OPV耐久性低的問(wèn)題。研究者利用的是康寧公司生產(chǎn)的厚度為100μm的玻璃。這種玻璃制造工藝簡(jiǎn)單，不僅超薄且能彎曲，還能承受400℃的工藝溫度。最初試制時(shí)采用的是片到片方式，但研究者的目標(biāo)是以卷到卷方式制作，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)。

2 趨勢(shì)展望

輕薄化和柔性化是便攜式電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢(shì)，可折疊或可彎曲的便攜式柔性電子產(chǎn)品在不遠(yuǎn)的將來(lái)有可能極大地影響甚至改變?nèi)祟?lèi)的生活方式。隨著科技的發(fā)展，作為柔性電子產(chǎn)品的重要儲(chǔ)能器件，柔性電池的未來(lái)也展現(xiàn)出一片光明的前景，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，種類(lèi)也越來(lái)越豐富，將給人們的生活帶來(lái)更多的期待與改變。