中國粉體網訊 近日，著名材料科學期刊《先進材料》（Advanced Materials）刊登了一項具有里程碑意義的研究成果。經過多年來持續不斷的研究，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究團隊，終于把鋰離子電池內部所有的組成結構都換成了可以彎折、扭曲的新材料，制造出了世界上第一塊可以“任意”彎曲、拉伸的鋰離子電池。
一旦這項研究成果能夠在未來得以改進并投入商業化應用，或將對未來電子產品的設計產生革命性的影響。
屏幕折疊
我們似乎可以將2019年稱為“折疊元年”。今年上半年，手機行業巨頭三星和華為相繼發布了自己的可折疊手機，驚艷全球，吊足了全世界消費者的胃口，小米也在不久前發布其首款折疊概念手機小米 MIX alpha。各大手機廠商都在小小的屏幕上做足了勁頭，為了可折疊屏幕費盡了心思。
現有的可折疊手機之所以可以折疊，仰賴的是柔性屏幕。可折疊 OLED 顯示屏是電子行業近年來最值得驕傲的技術突破之一。但除了屏幕，廠商們對手機其他部件的折疊似乎無能為力，其他部件與普通手機并沒有突破性的區別。這意味著，除了在手機兩個部分的連接處負責彎曲的鉸鏈之外，目前可折疊手機的其余部分依舊“寧折不彎”，稍有不慎，依然有著損壞、甚至自爆的風險。
手機自爆的“元兇”，只有一個——電池。
一塊鋰離子電池的結構，可以被理解成是一個“三明治”，夾在中間的是負責傳遞鋰離子的電解質/隔膜，而位于上下兩端的是負載正負極材料、并收集和傳導電流的集流體。
目前主流商業鋰離子電池的電解質，是易燃易爆的有機溶劑和鋰鹽組成的溶液，是一種液體。這種電解質有一個極其危險的副反應，遭遇空氣后，極易與氧氣與水分反應，產生鼓包，甚至自燃。因此，主流的商用電池必須用鋼制或者鋁制的堅硬外殼緊密包裹，防止電解液與外界的接觸。有著如此堅硬的外殼，折疊自然無從談起。要想實現電池的可折疊，依賴現有的材料是不可能的。
柔性電池
柔性電池，從字面意思來說并不難理解，即可以承受彎曲、拉伸、扭曲甚至折疊等形變的電池。
為什么能折疊？
構建柔性鋰離子電池需要從集流體、電極材料、電解質三個方面入手。
1. 集流體
傳統的集流體用的是金屬材料（比如鋁正極和銅負極），但金屬除了具有質量大、表面光滑等會影響電池容量和循環性能的缺點，還會在反復彎曲、拉伸、折疊過程中造成不可逆形變，致使電池失效。
為解決這些問題，可選用有機聚合物/金屬復合物集流體，即將金屬材料鍍在有機聚合物薄膜的表面，形成既可導電又具柔性的集流體；也可選用基于碳材料的集流體，即利用碳材料導電性好、質量小、表面較粗糙等強于金屬材料的性質，將其與活性物質壓制成分層的薄片結構，形成完整電極。
2. 電極材料
傳統的鋰離子電池中，電極材料（含鋰過渡金屬氧化物）通常被涂覆在集流體上，但是經過反復彎曲、拉伸、折疊會導致其脫落，故可以考慮脫離集流體限制的、可適應形變要求的獨立式電極。
例如，基于碳納米管的獨立式電極，由于碳納米管可提供柔性特質、骨架結構及快速的電子傳輸路徑，并允許材料膨脹等一系列的優點，可提高電極材料的循環性；基于石墨烯材料的獨立式電極，石墨烯相較碳納米管具有一些更優異、獨特的性質，其層狀結構和大的橫縱比可組裝成具機械柔性的石墨烯膜電極。
3. 電解質
對柔性電池而言，傳統電解液的流動性會限制其大小和形狀，正如上文講到的，傳統液體電解質有著非常致命的副反應，為了防止之中反映的產生，主流的商用電池都是用鋼制或者鋁制的堅硬外殼緊密包裹，防止電解液與外界的接觸。因此柔性電池基本棄用液體電解質，而選用固態電解質，這也是柔性電池被劃分為固態電池的一大原因。值得一提的是，近日最新的諾貝爾化學獎得主約翰·古迪納夫，其2017 年發表的最新研究成果，也是一款固態鋰離子電池。
選用合適的固態或者凝膠電解質尤為重要，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究團隊的方案就是采用非液態電解質。陳曦他們選用的電解質，是一種介于液體和固體之間的特殊物質——水凝膠。
怎么樣實現折疊？
目前技術最為領先，最具發展前景的就是上文多次提到的，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊。并且值得注意，論文的第一作者、可拉伸鋰離子電池的主要發明人是一名華人，蘇黎世聯邦理工學院陳曦博士。
下面就介紹一種實現鋰電池折疊的方法，也就是陳曦博士團隊的研究方案。他們的最終方案，是一種同樣按照“三明治”結構制成的可折疊的固態鋰離子電池。
1.在電解質方面。如上文所說，陳曦他們選用了水凝膠，水凝膠是一種親水的三維高分子網絡結構凝膠。一方面，它具有類似于橡膠的性質，擁有大量的交聯的有機高分子鏈，鏈與鏈之間往往由共價鍵、氫鍵或是靜電作用力相互交聯。在受到拉伸時，盡管每一個高分子鏈都會被拉長，但分子鏈之間卻由于強力的共價鍵的存在，而不會出現相對滑移。拉力消失時，高分子鏈收縮，物體又會恢復本來的形狀。
另一方面，親水的性質讓水凝膠可以攜帶大量的水分。研究人員就把比例適當的高水溶性鋰鹽溶解進了水凝膠的這些水分之中。研究顯示表明，這種具有極高濃度的鋰鹽水溶液可以用于制作鋰離子電池的電解液。結果表明，這種高濃度的鋰鹽溶液可用于制備鋰離子電池電解液。水凝膠還有一個明顯的優點——安全性。它不與空氣中的水和氧反應，也不產生氫氟酸。這樣，他們開發出了一種新型的電解液，這種電解液容易拉伸、扭曲，而且非常安全。
2.在集流體方面，研究人員設計出了一種由四種材料復合而成的特殊結構，同時實現了可以彈性形變和導電性良好這兩種需求。
第一種材料，是一層由有彈性的聚合物制成的薄膜，作為集流體的基底；第二和第三種材料，是分散在基底里面的碳納米管和碳黑顆粒。這些可以導電的填充物，讓基底擁有了一定的導電性。而徹底解決導電性問題，最關鍵的是第四種材料——沉積在基底表面的一層銀膠。
從微觀上來看，這種結構里的金屬銀是一堆層層疊疊在一起的六角形的二維片狀結構。它們有的固定在基底上，有的則像瓦片一樣搭在別的銀片上，集合在一起就形成了一個良好的電子通路。當集流體被拉伸時，銀片之間會發生相對的滑移，但依然可以保證這一片的“底部”還能繼續搭在另一片的“邊角”上，讓電流的通過不受影響。即便在少數的局部地方，銀片之間出現了完全的脫離，分散在基底里的碳納米管和碳黑顆粒也能起到傳導電流的作用。
3.在正負極方面。使用了銅箔、鋁箔的商用電極是不可以彎折的，但如果把電極粉末和可以形變、還導電性良好的材料結合起來，那么電極就可以形變。
最終，使用噴涂沉積的方法，將正、負極材料和集流體結合起來，采用相框形式的結構，封裝集流體和電解質在一起，可折疊、拉伸的固態鋰電池就誕生了！
小結
時代在進步，科技在發展。在科研工作者的努力下，柔性電池或者說可折疊的固態電池，在前進方向上邁出了一大步，未來柔性穿戴、便攜式設備、可折疊電子產品行業將會突飛猛進發展。也許就在不遠的將來，人們只會在博物館見到手機這種“硬邦邦”的產品了。
（中國粉體網編輯整理/漫道）
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參考來源
DeepTech、人民網-科普中國、新浪網-財經
陳悅.基于碳纖維及其織物的柔性鋰電池電極研究進展
