美国研制出可拉伸锂离子电池

本刊 贾旭平

美国西北大学和伊利诺伊大学的科研人员开发出了可拉伸的锂离子电池，这种柔性器件能够为创新性电子设备提供动力，真正实现电子装置和电力来源的小型化、延伸性集成。

这款可拉伸电池的功率和电压都与同尺寸的传统锂离子电池无异，但它的柔韧特性却使其能够拉伸至原有尺寸的3倍，而不影响自身的功能和运行，并能在之后恢复至原有大小。科研人员展示了这种电池对商用发光二极管的电力供应，即使当其被折叠、延展、扭动和安装在人类臂肘上时，发光二极管也能保持运转。新型电池在需要充电前能够不断工作8小时至9小时，而充电过程也可通过无线进行。可拉伸电子装置能应用在任何地方，甚至在人体内也能使用，却无需通过电源线连接到插座。

1.电池设计

此次研究的对象为袋状电池，小型储能元件通过具有卓越伸缩特性的导电网络连接，具体结构见图1。图1（a~c）分别描述了整个电池的示意图，单体电池的多层分解图和自相似互联结构的代表图。电池的集流体采用光刻型Al圆盘（600 nm）和Cu圆盘（600 nm）。整个结构由100个并联的电极盘方阵构成。LiCoO2正极浆料和Li4Ti5O12负极浆料经过模压分别构成正负极活性物质层。两种层在叠加时中间留有空间像素错位，这样不但可以避免电短路，还可以省略掉隔膜。在电池的外围会使用一种由硅有机化合物弹性体制成的垫片来防止上下层的接触。胶体电解质注入到空隙中可充当离子传输介质。采用一种薄的弹性封装体粘贴到外表面有助于防止湿气渗透到电池中，以及防止胶体中的溶剂泄漏出来。如果电池要进行长时间工作，那么封装也会更复杂。

图1 电池的总体布局和设计

电池在设计时需达到两个目标：（1）比表面积容量高，要求活性覆盖区面积大；（2）高机械伸缩性，要求活性覆盖区之间有较大距离。研究中采用蛇形配置的自相似线缆结构来满足伸缩性方面的要求，且可使互联电阻较低。传统蛇形结构由直线连接的弧线组成。自相似设计便是重复这种基本结构，如图1(c)中红框内所示。图1(c)中的黄线代表第二个蛇形结构。尽管还能设计和实现更高级别的结构，但是二级构造已经能够满足这里的应用要求。图2是自相似蛇形互联结构弯曲特性的实验和计算机模拟研究。在不同拉伸应变(ε)下，对称(左栏)和反对称(中间栏)变形模式的光学图像和相应的有限元分析(FEA）。FEA结果中的颜色代表金属层的最大主应变。比例尺为2 mm。右栏是释放所施应力之后的内部互联结构。

图2 自相似蛇形互联结构弯曲特性的实验和计算机模拟研究

2.电池的电化学性能和机械特性

经过一系列实验，研究人员发现当正极圆盘的直径为2.20 mm，负极圆盘的直径为1.58 mm，错位距离为0.51 mm时，电池具有最佳的电性能。在这种配置下，当电池未发生变形时，正极占总覆盖区的33%，负极占17%，整个电池占50%。互联线的厚度为600 nm，宽度为50 mm。在这些参数下，相邻盘之间的电阻为24 W，连接线和最远的盘之间的电阻为45 W。用于外部连接的线非常细，可以避免接口处的拉力，并使其能容易地与连接到外部的柔性线缆（不具备伸缩性）连接。胶体电解质既具有粘性液体的流动性又具有固体的粘结性，因此它在保持离子导电路径的同时能承受较大的张力。图3是电池电极在没有单轴向应变时的电化学性能和在300%单轴向应变时的电化学性能。

图3 电池的电化学性能和机械特性

3.电池的可拉伸无线充电系统

在许多实际应用中，如植入装置中，如果能通过无线方式来给电池充电，那么其价值与意义将非同凡响。图4是无线充电可拉伸系统示意图。次级线圈将电磁通量与初级线圈连接起来，再通过肖特基二极管整流。并联的电容器可使输出电压变得平稳，其尺寸和厚度都非常小，使其非常容易地集成到整个系统中。在线圈和整流器中间再添加一个2.3 kΩ的串联电阻，其功能就如同给次级线圈增加一个并联电阻，它可以对电池进行分流。蛇形次级线圈的电阻为1.92 kΩ/m。如果要提高充电系统的效率，那么可通过增加线圈的宽度和厚度来实现，但是必然会牺牲一定的拉伸性能，并增加折断系数。因此，可以根据实际需要来决定线圈的宽度和厚度。在本无线充电系统中，初级线圈的输出功率为187 mW，初级线圈和次级线圈的工作距离为1 mm，次级线圈得到的功率为9.2 mW，效率相当于4.9%。如果将次级线圈的厚度增加到7 mm，那么效率可从4.9%增加到17.2%。

图4 无线可拉伸充电系统的示意图