柔性电池研发进展

刘春娜

储能器件是便携式柔性电子产品的核心部件，研究人员能否开发出高性能柔性储能器件，如柔性锂离子电池、柔性太阳电池等各种柔性电池，是柔性电子产品广泛应用的关键之一。

1 各科研机构关于柔性电池的研发动态

中国台湾地区的辉能科技公司自行研发设计的超薄柔性陶瓷锂电池FLCB(FPC Lithium Ceramtc Battery)采用了FPC软性电路板和固态电解质，目前已获得专利。FLCB除了能有效充当Pebble智能手表的电池外，还大幅增加了电池存储容量。一块182 mm×230 mm×0.4 mm 的FLCB容量为 1000~1400 mAh。该电池可以像纸一样任意被裁减，但和纸不同的是，在折弯、捶击、金属剪裁、刺穿和700~1300℃的高温喷枪火烧下都不会起火或爆炸。在2014年台北国际电脑展(Computex)演示中，辉能科技将其超薄柔性锂电池截成几段，但它们仍然能给LED灯供电。这种超薄电池共有3~5层组成，但厚度却只有1.5 mm，堪称可穿戴产品的理想元件(包括智能眼镜、头戴式显示装置、发光的衣服、发热元件、智能手表等)。这种电池属于固态，这意味着它们不会像锂电池那样容易变性，同时，由于它们属于不易燃的材料，即便被撕成碎片，也不会起火或爆炸。HTC One Max手机内含电池的“HTC Power Flip Case可翻式电源扩展保护套”用的就是辉能公司的FLCB。保护套内采用了五片FLCB，共提供1150 mAh的电源，并通过接口直接为手机充电。虽然HTC并没有把FLCB弯曲的性能放在Power Flip Case上，但其实它虽然五片叠在一起仍可以弯曲。单片的FLCB可以做到动态弯曲达15~17 mm、XY轴弯曲可达五万次、Z轴弯曲则达两万次，而厚度仅0.32~0.36 mm。由于FLCB主要是把锂电池正负极中间的液态电解液及隔离层，利用固态陶瓷电解质取代，因此可以抵挡更强的冲击，也不用担心因破坏锂电池而有漏液、爆炸的情况。公司已经在生产与表带类似的两件套设计产品，连接表盘两端，既可以用作表带也可以提供电力。另外，还有一种可以与现有表带直接连接的产品，无需再次更换表带，使用方便。

美国莱斯大学的研究人员发明了一种新型的超薄、高性能、柔性无锂电池，其厚度不到1/100英寸(254μm)，却拥有超级电容器般的优良性能，并且能够在万次充放电、或者千次弯折之后，仍然保持76%的容量。其质量比能量达384 Wh/kg，比功率达112 kW/kg，且可以用于智能手表和健身设备。科学家们在一个900 nm厚的材料层上创建了很多直径5 nm的洞，这个辅助材料表面增加了更多能源存储的地方，然后外面用电解液制成的电极封闭。经过反复实验后发现，电池可以快速充放电，且当放慢充电速度的时候，也可以放慢放电的速度。这种新型电池采用了多孔镍氟化物薄膜作为电极材料。镍氟电极外面包覆着固态电解质，这种结构可形成一个高效的能源存储装置(结合了电池和超级电容的最佳优点)。在被聚合物保护起来之后，这种薄膜储能装置甚至能够在被弯曲1000次以后，仍旧保持电池和超级电容的优良特性。

新泽西理工大学(NJIT)的研究人员与韩国高级科学技术研究院、斯坦福大学以及LG公司合作，研制出柔性碳纳米管电池并获得专利。预计该技术可运用到带柔性显示屏的电子设备上，并且可以被制成各种形状和大小，甚至自己在家都能DIY。每块电池都由软塑料衬底制成，上面布满了碳纳米管和“微粒子”。对于碱性电池来说，这些粒子可以是锌或二氧化锰(或者是锂电池中的锂盐)。其目标则是利用现有的系统，并将它们转换到柔性平台上。采用该技术制成的电池，可以被做成任意大小和形状，从针尖大小的微电池，到像客厅地毯那样的一大张。甚至还柔软到可以被卷起来置于后备箱中，并驱动车子。此外，消费者也有可能DIY自制电池，以迎合特殊的需求。通过一套工具，人们可以将两张带电极的塑料封皮和中层隔板粘上，然后用层压机整合到一起。

美国加州的Imprint Energy公司正在研发一种可通过普通工业显示屏打印机制作的柔性超薄锌聚合物电池，并已经开始在腕带设备当中进行测试，希望将该技术出售给可穿戴设备、医疗设备、智能标签和环境传感器制造商。该公司所制作的电池可被安全应用在人体穿戴设备上，其较小的体形和柔韧性则可以打破产品设计上的种种限制。虽然体形很小，但这种电池足以为低功耗无线通讯传感器提供足够的电流，使其和其他类型的超薄电池有所区别。大多数笔记本和智能手机所使用的电池当中都含有锂，锂元素性质活泼，想要对其进行保护则不可避免地要增加电池尺寸和体积。虽然锌的稳定性更高，但传统锌电池中含水的电解液会致使其产生枝晶，从而缩短电池寿命。Imprint Energy研发出的固态聚合物电解液，避免了该问题的出现，并带来了更高的稳定性和更大容量。电池结合了薄膜锂电池和打印电池的最佳特性。薄膜锂电池虽然可重复充电，但由于包含锂元素，容量受限，且生产成本较高；打印电池一般会使用锌元素，容量较高，制作成本低廉，但不可充电。锌元素的使用让公司具备了生产上的优势。因为锌的稳定性，公司并不需要制作对氧气敏感的锂离子电池所需要的防护装备。虽然市场对于柔性电池已经产生了需求，但柔韧度的测量还没有统一的标准，因此公司为想要对比两种电池的客户搭建了自己的测试装置，并开始对自家电池和其他已经发布的柔性电池进行比较和评分。在1000个弯折循环之后，其他电池就已经彻底损坏，但该公司的电池却依然能保持稳定。该公司最近从凤凰城创投公司和AME云创投公司获得了600万美元的资金，从而进一步开发其拥有专利的化学产品，并进行电池的商业发布。前期投资者包括美国中央情报局支持的风险投资公司帕琉斯，以及陶氏化学公司。

英国航空航天系统公司开发出一款名为“大刀”的采用柔性电池的新型作战服来解决美国地面部队巡逻时随身携带装备过重的问题。多年来，无线电装置和其他各种电子设备越来越多地挂满武装部队士兵的防弹衣，从而使其无法轻装前进。该作战服含有可以导电并且无需借助电缆即可传输数据的织物，从而可使战斗部队减少所携带的电池，并且通过把装备插入作战服或感应式“充电袋”来对装备进行充电。由于这种织物构造方面的原因，电力和数据的传输可以有无数种方式。美国陆军和海军陆战队都在对这一系统进行评估。该作战服的供电来自背部的一块柔性电池，每当士兵坐到安装在汽车座位上的“充电板”上时，该电池便能得到充电。虽然该作战服的导电织物使用的材料没有透露，但已经证明这种作战服不会让士兵遭到电击，而且其内部包括一个电力管理系统，可以让士兵们开启或关闭所选装置的充电过程。该作战服与现有的无线电设备兼容，这一特点将会使其较快在部队中得到列装。

不列颠哥伦比亚大学的可穿戴电子产品研究项目最近获得了加拿大自然科学与工程技术研究理事会（NSERC）超过100万美元新资金。该研究项目主要研发柔性太阳电池和可穿戴电子产品。研发团队正设法将柔性太阳电池和其他电子元件集成到可穿戴电子产品——内嵌电子传感器或太阳能板的纺织品和服装，包括通过编织嵌入的太阳电池给移动设备充电的服装、可折叠式移动设备，以及内嵌传感器能够监测生命特征并将数据传送给内科医生的服装。

LG成功研发出一款柔性电池，它可以填充设备当中一些多余的空间，并且增加了16%的电池能量密度，能让智能手机拥有更好的续航表现。在未来的一些可穿戴产品上，设计者可以设计多样化的造型，这种电池可以任意弯曲使用，并且具有很好的耐磨性，在使用过程中基本不会发热。近两年来手机屏幕越来越大、分辨率越来越高，处理器也提升至四核高频，这些高功耗的操作都对电池提出了更高要求。LG量产成功的这种可弯曲电池能够填补设备中空隙的地方，将被应用于智能手机、智能手表以及智能眼镜等上面。

三星公司展示了一款可弯曲电池。该电池具有极大的柔韧度，即便弯成一个“U”字形仍然能够正常运作。这项技术是专为可穿戴式智能设备而开发的，意味着下一代的Samsung Gear除了体积和净重会有大幅降低之外，其外形设计也可以更接近当下的名贵手表。不过，外形虽然可以更有弹性，但是电池容量才是最重要的事，关注者期望这种电池同时能大大延长便携穿戴式智能设备的使用时间。

韩国蔚山国家科学科技学院利用纳米科技开发出柔性电池。电池的正极部份用一氧化镍取代现行的锂钴氧化物，能提高20%的充电效能。他们还在表面涂镀含钒的混合氧化物，电力传导因此增加两倍多，锂离子的活性也提升3倍多。负极部分，研究人员用膨胀石墨取代天然石墨，导电性提高13倍；且在表层涂镀10 nm的非晶硅粒子，电池效能可增加60%。另外，电流集电器表面切割为纳米蜂巢结构，附着度提高1.7倍，电极材料能承受多次弯折也不会脱落。

芬兰诺基亚的带状柔性电池专利也被曝光。诺基亚这款柔性电池的外形酷似“瑞士卷”，采用带状设计，由一条电池带组成，后者被拆分成了两个区域：阳极和阴极，与中间部分相连。在真空的状态下，若干条带状电池的连接部分被叠加在一起，形成了一条完整的电池。这种卷曲的电池技术有可能应用于智能手机、音乐播放器、笔记本电脑或是游戏设备。不过，虽然这种电池能够弯曲到比较夸张的程度，但是最终成型的设备应该无法像这样卷起来。尽管诺基亚在专利中并未提及可穿戴设备的应用，不过这还是让人们对诺基亚的智能手表有了更多期待。

诺基亚带状柔性电池专利曝光

德国弗劳恩霍夫协会应用聚合物研究所成功在柔性玻璃上制作出了有机薄膜太阳电池。此举将可消除OPV耐久性低的问题。研究者利用的是康宁公司生产的厚度为100μm的玻璃。这种玻璃制造工艺简单，不仅超薄且能弯曲，还能承受400℃的工艺温度。最初试制时采用的是片到片方式，但研究者的目标是以卷到卷方式制作，现在已经开始开发相关技术。

2 趋势展望

轻薄化和柔性化是便携式电子产品的重要发展趋势，可折叠或可弯曲的便携式柔性电子产品在不远的将来有可能极大地影响甚至改变人类的生活方式。随着科技的发展，作为柔性电子产品的重要储能器件，柔性电池的未来也展现出一片光明的前景，其应用越来越广泛，种类也越来越丰富，将给人们的生活带来更多的期待与改变。