首個真正可變形的鋰電池來了！中國科學家里程碑突破
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，一個來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究團隊，終於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，製造出了世界上第一塊可以“任意”彎曲、拉伸的鋰離子電池。
圖丨世界首款可拉伸薄膜鋰離子電池原型（來源：陳曦）圖
文/靖海
根據該大學網站的報導，這種電池遵循商用電池的設計。領導團隊的馬克斯·尼德伯格教授稱，有關可折疊電池的研發甚至已經超越了應用於手機的範疇，對於使用折疊顯示屏的計算機、智能手錶和平板電腦等電子產品，可折疊電池都將有很大的價值。
一旦這項研究成果能夠在未來得以改進並投入商業化應用，或將對未來電子產品的設計產生革命性的影響。
DeepTech 獨家專訪到了本文的第一作者、可拉伸鋰離子電池的主要發明人——蘇黎世聯邦理工學院陳曦博士，為您帶來此次研究以及折疊電池未來發展的深度解讀。
圖丨可拉伸薄膜鋰離子電池的發明人——蘇黎世聯邦理工學院陳曦博士（來源：陳曦）
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，因此，今年也被認為是“折疊元年”。
繼多攝像頭、人工智能、全面屏之後，可折疊很有可能將成為未來手機不可避免的發展趨勢，相關的技術和產品進展也一直吸引著科技和商業界的持續關注。
圖丨華為首款可折疊手機（來源：MIT Technology Review）
圖丨小米首款5D 環繞屏概念手機（來源：小米）
現有的可折疊手機之所以可以折疊，仰賴的是柔性屏幕。從三星到京東方，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，可折疊手機裡的其它部件其實和普通手機並沒有太大的差別。這不僅意味著，在手機兩個部分的連接處無法佈置更多其它元器件，更意味著除了負責彎曲的鉸鏈之外，可折疊手機的其它部分依然“寧折不彎”，稍有不慎，依然有著損壞、甚至自爆的風險。
而自爆的原因，正是來源於電池。
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，而位於上下兩端的是負載正負極材料、並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。這種電解質儘管性能極佳，但一旦氣密性不好，導致電池遭空氣中的氧氣或者水分侵入，就有可能發生危險的副反應，導致電池鼓包、自燃，甚至產生劇毒的氫氟酸（HF）。因此，主流的商用電池必須用鋼製或者鋁製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。
而另一方面，用於發生電化學反應的正負極，是由粉狀的電極材料沉積在銅箔和鋁箔——也就是集流體上面製成的。顧名思義，所謂的集流體就是電池裡存放電極材料、匯集和傳導電流的部件。
在常規鋰離子電池裡，正負極薄膜與隔膜緊密貼合、捲繞，難以彎折。即使使用單層電極製成薄膜電池，由金屬材料製成的集流體一旦彎折，就會導致電極粉末的脫落，而尖銳的褶皺也會破壞電池結構，甚至刺穿正負極之間的隔膜，輕則影響電池性能，重則同樣導致電池自爆。
圖丨千萬不要輕易測試你的手機的抗彎性能——暴力導致的變形是手機自爆主要原因之一（來源：rankbank）
因此，要想實現電池的可折疊，依賴現有的材料是不可能的。
研究人員必須為電池裡的每一個元器件都找到全新的材料，在保證形變的同時，還能兼顧電池的安全。而且，組成不同部件的不同材料之間，其電化學功能性還要相互兼容，否則，能讓一個部件正常工作的電壓，很有可能會引起另一個部件發生化學反應甚至失效。
一直以來，為電池裡所有的部件都找到可以相互適配的可形變材料，一直是電池研究領域的科學家和工程師們孜孜以求的課題。陳曦表示，他們進行這個課題研究的前兩年，基本上都是在試錯。找到正確的研究方向後，又繼續花了兩年時間，才終於為鋰離子電池的每一個組成部分都找到了合適的解決方案，製造出了世界上第一塊可折疊、可變形的鋰離子電池。
他們的最終方案，是一種同樣按照“三明治”結構製成的可折疊的固態鋰離子電池。
所謂的固態鋰離子電池，指的是電池中用來傳遞鋰離子的電解質不是上文提到的有機溶劑與鋰鹽的溶液，而是一種固體。值得一提的是，剛剛於10 月9 日獲得諾貝爾化學獎的約翰·B·古迪納夫，其於2017 年發表的最新研究成果，也是一款固態鋰離子電池。
陳曦他們選用的電解質，則是一種介於液體和固體之間的特殊物質——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，它具有類似於橡膠的性質，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。陳曦他們選用的這種水凝膠，通過作用力最強的共價鍵交聯，在受到拉伸時，儘管每一個高分子鏈都會被拉長，但分子鏈之間卻由於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。如果沒有這種共價鍵的作用，拉伸的過程中，鏈與鏈之間的滑移就會最終導致材料斷裂，無法復原。
而在另一方面，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。
之前有研究顯示，這種具有極高濃度的鋰鹽水溶液可以用於製作鋰離子電池的電解液。相比於易燃、易爆、劇毒的商用電解質，水性電解質有一個明顯的優勢——安全。它不會與空氣中的水和氧氣發生反應，也不會產生氫氟酸。
這意味著，由這種電解質製成的電池不僅在使用的過程中不可燃、無毒，還可以直接在空氣中進行組裝，而傳統的鋰電池必須在充滿氬氣的特殊環境下才能保證安全生產。再加上水凝膠出色的彈性機械性能，他們便研製出了一種可以很容易地拉伸、扭曲，還十分安全的新型電解質。
圖丨可折疊電池結構示意圖（來源：ETH Zurich）
有了電解質，還需要解決用來存放正負極材料的集流體。前面說到，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，那麼電極不就也可以形變了嗎？
這件事情的困難之處在於，對於材料來說，可以彈性形變和導電性良好，往往是一對矛盾的需求。有彈性的橡膠是很好的絕緣體，導電性能良好的金屬、甚至是導電塑料，都彈性不足。通過不斷的試驗，研究人員設計出了一種由四種材料複合而成的特殊結構，同時實現了上面這兩個目標。
第一種材料，是一層由有彈性的聚合物製成的薄膜，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，這種結構裡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“手腳”還能繼續搭在另一片的“身體”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。研究人員發現，即便拉伸到一倍長度，這種集流體的單位表面導電性也僅有少量降低，表現非常優異。
圖丨集流體上負責傳導電流的銀膠層（來源：doi: 10.1002/adma.201904648）
最後，他們用噴塗沉積的方法，把正負極材料和集流體結合了起來，又用了一種類似於相框的結構，把集流體和電解質封裝在了一起，便製成了可折疊電池的成品。
經過測試，整個電池在被拉伸50% （即便手機被掰彎，電池也很難拉伸這麼多）、充放電循環50 次之後，仍然擁有28 mAh g−1 的可重複使用電量和20 Wh kg−1 的能量密度，表明了其在極限機械壓力下仍然擁有可靠的可重複充放電性能。
對於電子產品設計者來說，這意味著他們將第一次可以擁有這樣的想法：除了屏幕和電路，電池也能跟著一起彎！而這將很有可能催生出一系列全新的電子產品。
上面提到的可折疊手機就不用多說了，未來可折疊手機的形態將很可能發生改變。
這種電池還可以被安裝在平板電腦、智能手錶上。你可以想像一下，也許以後的智能手錶會徹底變成了一個柔性的“智能腕帶”，而電池也不必安裝在錶盤下面，而是可以藏在錶帶裡了。
各種醫療、體育訓練用的可穿戴設備，也終於可以完美“貼身”，甚至於你的外套、書包本身，可能就是一塊飄逸、安全的電池織物。
而在無人銷售便利店裡，可形變的電池也可以變成貼在商品身上的有源電子標籤的一部分，在產品從生產加工到銷售、甚至快遞上門的全過程中，為溯源、標價、定位芯片提供持續不斷的電力供應。
圖丨經過極限拉伸之後，電池仍能保持優異的性能（來源：陳曦）
然而，陳曦表示，他只是實現了可折疊電池的“從無到有”的第一步。在進入大規模商業化應用之前，這項可拉伸電池技術還有很遠的路要走。
首先，這款電池的性能還無法和成熟的商用電池相媲美，需要顯著提高能量密度；
其次，需要繼續優化充放電的控制和改進封裝工藝，以延長其循環壽命；
第三，則是降低電池的成本。作為世界上第一款可以彎折的全電池，他們所採用的部分材料成本還是較高的，很難在商業性上和主流電池相抗衡。
陳曦所在的蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊，已經開始針對上述問題展開進一步的研究了。也許用不了多久，你不小心坐到自己放在沙發上的平板電腦上時，就再也不會有心痛的感覺了。
參考：
https://www.howtogeek.com/425488/why-do-phones-explode-and-how-to-prevent-it/
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/09/battery-with-a-twist.html
Chen X, Huang H, Pan L, Liu T, Niederberger M. Fully Integrated Design of a Stretchable Solid‐State Lithium‐Ion Full Battery. Adv.Mater.2019, first published: 06 September 2019 doi: 10.1002/adma.201904648
https://www.cnbeta.com/articles/tech/893787.htm