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一款可折疊、能彎曲的電池,拉長一半也照樣供電
2020-02-12 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:规划战略与信息中心
    

  爲了跟上可折疊手機的發展,未來的電池也將變得更加靈活。 

  據每日科學網(Science Daily)9月報道,瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的馬克斯·尼德伯格(Markus Niederberger)教授和他的研究團隊,開發出了一種柔性薄膜電池的原型。這種新型電池可以在不中斷供電的情況下折疊、彎曲甚至拉伸。 

 

柔性薄膜電池的原型。圖片來源:蘇黎世聯邦理工學院

  該電池像三明治一樣分層制造,在兩個可伸縮的集電器之間依次是陰極、水凝膠電解質、PDMS框架和密封層、陽極。 

  這是研究人員首次使用具有不同電化學理化性質的彈性複合材料,構建電池中的所有必要組件。這些彈性複合材料可使電池在彎曲或拉伸的狀態保持正常運作。 

  

新型電池的分層結構。圖片來源:蘇黎世聯邦理工學院

  锂離子電池一般由集電器、電極材料、電解質三部分組成。 

  集電器的功用,主要是將電池活性物質産生的電流彙集起來,以便形成較大的電流對外輸出。 

  傳統的集電器用的是金屬材料,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,還會在反複彎曲、拉伸、折疊過程中造成不可逆形變,致使電池失效。 

  該新型電池的外層集電器,由聚合物複合材料制成,材料裏含有導電碳,在其內表面上,還有一層微米級的銀薄片。 

  研究人員將這些銀薄片像屋頂瓦片一般重疊排列。當電池被拉伸時,銀薄片之間不會彼此失去接觸,這保證了集電器的導電性。 

  即使電池的拉伸幅度過大,銀薄片之間失去了接觸,電流仍然可以流過含碳的複合材料,只是電流會稍微變弱。 

  兩個集電器之間,疊放了由錳酸锂組成的陰極和由釩氧化物制成的陽極,兩極之間由一個類似于相框的PDMS框架和密封層隔開,PDMS框架的間隙填充了水性凝膠複合電解質。 

  該電池與其它電池最大的不同之處,在于其填充的水凝膠電解質。這種新型電解質由馬克斯的博士生陳曦發明。 

  水凝膠是一種親水的三維高分子網絡結構凝膠。它擁有大量交聯的有機高分子鏈,受到拉伸時,每一個高分子鏈會被拉長,但由于分子鏈之間有共價鍵的存在,不會出現相對滑移。拉力消失時,高分子鏈收縮,物體又能恢複本來的形狀。馬克斯表示,現有電池中的液體電解質易燃、有毒,這種凝膠電解質更爲環保和安全。因爲水凝膠電解質中還含有高濃度的锂鹽水溶液,這有助于锂離子在電池充放電時在正負極之間流動,且還能防止發生電化學分解。這意味著,如果發生電池泄漏,該凝膠電解質可以確保流出的液體不會造成破壞性後果。 

 

新型電池可以在不停止電源的情況下彎曲、拉伸甚至扭曲。圖片來源:蘇黎世聯邦理工學院

  馬克斯認爲,該新型電池不僅能應用于手機,還可以用于電腦、智能手表、平板電腦,甚至可用于智能紡織品上。 

  經過測試,整個電池在被拉伸50%、充放電循環50次之後,約擁有20 Wh kg1的能量密度。1991年,锂離子電池首次商業化的可重複使用電量能量密度爲80 Wh kg1 

  馬克斯也表示,如果想把該電池推向商業市場,還需要更多的研究。例如該電池如何在較長的時間內保持密封、如何增加能容納電極材料的數量等。 

  隨著三星Galaxy Fold、華爲Mate X等折疊手機問世,柔性電池正受到越來越多的人關注。早在幾年前,已有多家研究機構和企業開始在這一電池領域進行突破。 

  2015年,三星曾在韓國電池展覽會上公布了StripeBand兩個電池柔性電池系列,這類柔性電池的厚度只有0.3 mm,可用于智能手環、項鏈、T恤配飾等可穿戴式設備。次年,瑞典林雪平大學(Linkoping)有機電子學實驗室的研究人員也發明一款被稱爲紙電池”(Power Paper)的柔性電池。 

 

紙電池。图图片来源:苏黎世联邦理工学院 

  该紙電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。该紙電池容量为26800毫安,約爲普通手機锂電池容量的十倍。 

  對柔性锂電池而言,傳統電解液的流動性往往會限制其大小和形狀。 

  今年初,由韓國蔚山國家科學技術研究院(UNIST)李相英(Sang-Young Lee)教授領導的研究小組,研發出了一種適合作爲固態電池的電解液,有望成爲未來柔性電池的原材料。 

  該研究小組利用多孔晶體材料作爲離子導體,讓锂離子可以有選擇性地、高效地通過離子通道,這種固體離子導體可以代替傳統電池中易爆炸的電解液,爲新型柔性電池的設計提供了新方向。 

 

  編輯:規劃戰略與信息中心 圖書館 

  信息來源:https://www.china5e.com/news/news-1079064-1.html 

 
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