基于柔性織物復合電極制備的柔性鋰電池在彎曲狀態(tài)下仍能穩(wěn)定供電。 香港理工大學鄭子劍課題組供圖

就柔性電子產業(yè)的發(fā)展而言，柔性電池是必不可少的部分。目前，顯示屏、傳感器等很多電子元件已經可以實現(xiàn)靈活彎曲甚至是折疊拉伸，但為其提供電源的電池卻仍停留在剛性的設計階段。

柔性電池的出現(xiàn)可擺脫現(xiàn)有金屬箔剛性電池對于產品形狀與結構等設計的限制，在與柔性可穿戴電子一體化后，發(fā)揮其任意形變的優(yōu)勢。

在大多數(shù)文獻中，電池柔性主要以材料屈服時的曲率半徑(r)作為評判標準。對此，香港理工大學紡織與服裝學系教授鄭子劍領導的課題組近日在《焦耳》發(fā)文給出了建設性評論，著重指出電池應變對于評價柔性的重要性，并首次提出以面積能量密度與曲率半徑的比值(Ea/r)作為更好的評價柔性電池的性能因數(shù)。

鋰電池的柔性看這個指標

目前常用的鋰離子電池不能彎折，這是因為電池內的層狀金屬箔電極彎折后容易斷裂。然而，要給柔性電子織物、可穿戴設備等供電，鋰離子電池必須具有一定柔性。

鄭子劍告訴《中國科學報》，他發(fā)現(xiàn)以常用的曲率半徑評價柔性容易導致誤解，因為材料彎折時的屈服不僅與曲率半徑有關，還與材料的厚度(h)有關。即便同樣的材料，更厚的箔片屈服時的曲率半徑也要比薄一些的箔片大。

如采用材料外層拉伸應變(ε=h/2r)作為評判依據(jù)，就可以引入厚度，使評價更為公允。而且，鄭子劍認為，電池的柔性與電池結構相關，電池結構又決定了電池的能量密度。

“以往的文獻把能量密度跟柔性分開獨立比較，這是不公平的。”鄭子劍說，“高能量密度曲率半徑大的柔性電池的性能不一定比低能量密度曲率半徑小(柔性更好)的差，反之亦然。”

有些研究中為了增加柔性而選擇用碳基材料替代金屬箔，或將金屬箔制成鏤空的網(wǎng)狀，雖然柔性增加了，但是體積能量密度卻降低了。于是，鄭子劍將ε與體積能量密度相乘，得到1/2(Ea/r)。

“這個面積能量密度Ea和r都是論文里可以得到的數(shù)據(jù)，而且沒有太多計算上的‘水分’，誤導性低。”鄭子劍說，“再者，對于體積能量密度的計算，因為大家用的標準不一樣，差別可以是十倍以至上百倍。而Ea和r是不變的。”

因此，鄭子劍在論文中提出將Ea/r用來作柔性電池的性能因數(shù)。一般某個研究領域會用一個數(shù)字指標作為性能因數(shù)，用于性能的比較和討論，但柔性電池領域此前尚沒有性能因數(shù)。

“性能因數(shù)更多是一個研究領域內的學術標準，但又可以與商用的電池做直接比較，因此非常有意義。”鄭子劍說。

未來碳基柔性電池會取代金屬箔

那么，應用此次提出的性能因數(shù)，目前哪類柔性電池性能更突出?

“雖然我們并沒有特意去討論哪種會更好，但我們發(fā)現(xiàn)，相對于金屬網(wǎng)或碳基紙張類柔性電池材料，碳基織物類柔性電池柔性更好，用其三維結構的基材做集流體組裝電池，可以得到更高的性能因數(shù)。”鄭子劍說，“我們覺得，未來柔性電池會慢慢改變目前基于金屬箔作為集流體制備的現(xiàn)狀。”

根據(jù)印制電路協(xié)會(IPC)的標準，柔性電子設備應能夠承受至少5%的應變。

文章第一作者、南方科技大學前沿與交叉科學研究院研究助理教授常建告訴《中國科學報》，單從能量密度和應變兩個關鍵參數(shù)來看，目前學術界開發(fā)的部分柔性電池已經達到350 瓦時/升和 5%，符合柔性和可穿戴電子設備的匹配需求。

但是一般來說，金屬材料的屈服應變都是小于1%的，所以5%的應變對于金屬箔就會造成疲勞。

“金屬箔很薄，這是過去整個電池行業(yè)幾十年努力的成果，把體積做到了極致。目前碳材料還是厚，導致無效的體積大，未來應該會逐步改善。”鄭子劍說。

文章第二作者、香港理工大學紡織與服裝學系博士后黃琪瑤告訴《中國科學報》，目前鄭子劍課題組關于柔性電池的研究主要集中于柔性集流體的開發(fā)與高能量密度柔性電池的研究。他們基于首創(chuàng)專利技術聚合物輔助金屬沉積(PAMD)研發(fā)了一系列兼具高導電性與柔性的導電織物，通過替換傳統(tǒng)金屬箔作為電池的集流體，與高性能活性材料結合構筑三維的柔性織物復合電極，以制備柔性可穿戴電池器件。此類織物電池柔軟度極佳，可折疊彎曲至半徑小于1毫米，即使折疊超過1000次，其效能仍然保持不變。

“但目前商業(yè)化的碳基織物仍比較厚，導致現(xiàn)有的織物柔性電池體積能量密度不理想。”黃琪瑤說，“隨著未來紡織業(yè)技術的發(fā)展，超薄碳織物的規(guī)模化生產勢必會帶來織物電池能量密度的大幅度提升。”

柔性電池在多重場景下未來可期

黃琪瑤相信，柔性電池未來在可穿戴電子、生物傳感器、人體皮膚、軟體機器人等方面均有廣闊的應用前景，既可以提供與常規(guī)電池類似的儲能供電功能，又可以滿足未來柔性電子設備對柔性、設計靈活性及可穿戴舒適性方面的需求。

同時，柔性電池與其他的熱點技術，如物聯(lián)網(wǎng)、5G，均可以結合。作為儲能器件，柔性電池還可以作為電子設備的電源，其柔性、可彎折性能可以充分利用設備里的有效空間，有利于提升電子產品的電池總體容量，也是提高電子設備續(xù)航能力的重要發(fā)展途徑。

但是，柔性電池目前還處于研究—小試階段，市面上雖有一些柔性電池的樣品展示，但還沒有進入大批量生產、產品應用的階段。

鄭子劍指出，柔性電池目前還是新的研究領域，仍有很多問題亟須解決，包括如何在保持電池柔軟性的同時，提高柔性電池的能量密度與容量、循環(huán)穩(wěn)定性及安全性。柔性電池在外加作用力下產生的應變往往會超出電池各個部件的屈服應變，進而導致電池結構被破壞和穩(wěn)定性變差。

要解決這些瓶頸問題，需要設計改變電池內部結構，同時也需要研發(fā)一些新型活性材料、隔膜、電解液以及電池的封裝材料等。

鄭子劍認為，推廣柔性電池及柔性電子具有重要意義。基于電子設備對于電池的需求，柔性電池技術的推廣與柔性顯示屏、生物傳感器以及柔性電路等技術配合，有利于開發(fā)出更多柔性電子設備，應用于醫(yī)療健康監(jiān)測、智能紡織品、智能手機、全球定位系統(tǒng)追蹤、物聯(lián)網(wǎng)、人機交互等多重場景下加以應用。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.05.015