鉅大LARGE | 點擊量：629次 | 2021年12月13日
可折疊鋰離子電池攢成球后繼續(xù)用 且充電5分鐘通話小半年
美國當?shù)貢r間2019年9月10日，蘋果公司在美國加州舉辦新品發(fā)布會，庫克帶來了三款手機，分別是iphone11、iphone11Pro及iphone11ProMax。我國的起售價分別是5499元、8699元和9599元。新一代iPhone在電池續(xù)航時間、攝像頭等方面做出了很多的改變，但總體來說變化不大——既不支持5G，也不具有折疊功能。
隨著可折疊或卷起屏幕的計算機或智能手機的發(fā)展，電子行業(yè)受到越來越多的關(guān)注，如智能服裝使用可穿戴的微型設備或傳感器來監(jiān)視身體溫度、心率等功能。所有這些設備都需要能量來源——電池，一般使用的是鋰離子電池。商用鋰離子電池通常很笨重，根本上不適合用于柔性電子產(chǎn)品或紡織品。另一方面對柔性電池而言，傳統(tǒng)電解液的流動性會限制其大小和形狀，選用合適的固態(tài)或者凝膠電解質(zhì)則變得更加重要。
2019年9月6日，AnvancedMaterials在線發(fā)表了題為“FullyIntegratedDesignofaStretchableSolid-StateLithiumIonFullBattery”的文章。蘇黎世聯(lián)邦理工學院MarkusNiederberger教授團隊已經(jīng)開發(fā)出了一種柔性薄膜電池的原型，該原型電池可以彎曲，拉伸甚至扭曲，而不會中斷電源。迄今為止，還沒有科研工作者系統(tǒng)地專門采用柔性組件創(chuàng)建鋰離子薄膜電池。
在不斷開電源的情況下扭曲，拉伸和彎曲電池（：蘇黎世聯(lián)邦理工學院）
研究預覽：團隊人員引入了固態(tài)鋰離子電池，其中所有組件（集流體，正極和負極，電解質(zhì)和封裝）都是可拉伸的。通過在可拉伸的碳聚合物復合材料上沉積Ag微薄片作為導電層，可以得到在100％應變下具有約2.7Ω-1的低平方電阻的集流體?？缮炜s復合電極是通過將活性材料與彈性集電器集成在一起而制成的。該團隊還開發(fā)了聚丙烯酰胺-“”（這個術(shù)語目前沒有準確的中文翻譯，建議使用英文water-in-salt）電解質(zhì)，可提供10-3至10-2Scm-1的高離子電導率和，并且在室溫下具有出色的拉伸性（最高可達到其原始長度的約300％）。最后，研究人員將所有這些組件組裝成薄膜配置的固態(tài)鋰離子全電池。由于在全電池中使用完全可拉伸的單個組件，整個電池在拉伸、彎曲甚至扭曲時可以保持正常運作。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這種新電池與眾不同之處在于其電解質(zhì)--——水性凝膠復合電解質(zhì)，當電池充電或放電時，鋰離子會通過該部分在正負極間穿梭。該電解質(zhì)是由MarkusNiederberger教授的博士生——陳曦首先發(fā)現(xiàn)的。該團隊開發(fā)的水性凝膠電解質(zhì)是將高濃度鋰鹽的水溶液和聚丙烯酰胺彈性凝膠復合，以實現(xiàn)高彈性，高離子電導率和較寬的電話學穩(wěn)定窗口。
應力應變曲線
由上圖可以看出，三個樣品在第一個循環(huán)的初始2mm處觀察到不可恢復的塑性變形。在之后的循環(huán)中，樣品彈性變形從15%到100%應變時，具有良好的可逆性。該課題組還觀察了CNT和CB添加劑對SEBS基底的機械性能增強作用，與純SEBS膜相比，SCC和SCCA的楊氏模量和拉伸強度均提高了2.5倍。
拉伸作用下，樣品帶的長寬比
為了測量SCC薄膜和SCCA薄膜的薄膜電阻，樣品帶被安裝在薄膜拉伸試驗機上分別拉伸至25%、50%、75%、100%。不同拉伸水平的電阻是通過施加1.0mA毫安電流和記錄樣品兩端的感應電壓。采用歐姆定律，計算出電阻R值，再根據(jù)Rs=R/AR（其中AR=樣品的長寬比）計算出每種樣品的Rs。因最上層銀片的存在，在同樣的拉伸程度下，觀察到SCCA的AR較SCC略有降低。
四種樣品在5℃·min-1空氣流下的TGA曲線
四種樣品的TGA曲線如上圖所示，其中PAM-dry和PAM-hydrogel作為參考。對于PAM-dry來說，在208℃時有5.5%的減重，認為是吸附水分的殘留和水分子與聚合物鏈之間結(jié)合的去除。PAM在208℃-405℃有65%的重量減少，在超過405℃時約有7.5%的減重。這個減重過程是因為交叉鏈接和聚合過程中殘基的退化引起的。對于PAM-hydrogel來說，在低于206℃時有72%的減重，認為是電解質(zhì)中水分的去除，也可以認為是電解質(zhì)聚丙烯酰胺水凝膠的含水量。
該團隊按照商用電池的設計從集流體、電極材料、電解質(zhì)這三個方面入手，像三明治一樣分層地構(gòu)造新型電池。這標志著研究人員首次使用具有不同的電化學理化性質(zhì)的彈性復合材料構(gòu)建電池中的所有必要組件，從而使整個電池在彎曲或拉伸的狀態(tài)保持正常運作。
電池由各種柔性材料制成三明治狀（：蘇黎世聯(lián)邦理工學院）
為構(gòu)建彈性集流體，該團隊研究人員在復合材料的內(nèi)表面上涂了一層微米級的銀薄片。薄片像屋頂瓦片那樣重疊，在拉伸彈性體時它們不會彼此失去接觸，保證了在通電情況下，電子的流動。即使集電體經(jīng)受了較大的拉伸，這也確保了其導電性。并且，如果少量銀薄片在局部區(qū)域失去接觸，則電流仍然可以流經(jīng)導電含碳復合材料，盡管其導電性相對較低。在掩模的幫助下，研究人員將陽極和陰極粉末噴涂到該彈性集流體的工作區(qū)域上，陰極由錳酸鋰組成，陽極是釩氧化物。最后MarkusNiederberger教授團隊將兩個集流器堆疊在一起，所施加的電極彼此疊置，并由與相框類似的阻擋層隔開，而相框的間隙中充滿了電解質(zhì)凝膠。
MarkusNiederberger教授說該電池的優(yōu)勢有兩點：第一點是可應用到生產(chǎn)具有可折疊屏幕的設備。其他潛在應用包括用于計算、智能手表和平板電腦的可滾動顯示器，可植入醫(yī)療器械市場如植入式心臟起搏器、植入式神經(jīng)刺激器、植入式機電心臟循環(huán)系統(tǒng)或彎曲電子設備的功能性紡織品的電源，甚至可以將電池縫在衣服上。第二點是與傳統(tǒng)的電解質(zhì)的流動性限制其大小和應用不同，該電池的電解質(zhì)是包含高濃度鋰鹽的水性凝膠電解質(zhì)，如果發(fā)生電池泄露，可以確保流出的液體不會造成破壞性后果。這也是該電池具有明顯優(yōu)勢的地方。
研究結(jié)果：智能手機和可穿戴設備的興起促進了電子學的發(fā)展，然而可折疊電池限制了微型設備和傳感器的廣泛應用。MarkusNiederberger教授團隊采用傳統(tǒng)的集流體、電極材料、電解質(zhì)式的三明治結(jié)構(gòu)完成了可折疊全電池的集成電路設計。這種電池可以彎曲、拉伸和扭曲并且仍然能正常工作。電池拉伸至50％之后，在120mAg-1下循環(huán)50次后，仍可獲得28mAhg-1的可逆容量和20Whkg-1的平均能量密度，確保電池功能的穩(wěn)定和正常使用。對于柔性電子設備和智能手機來說，該電池的“前途”不可限量。
關(guān)于鋰電池
“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。e測試
