中国粉体网讯 近日，著名材料科学期刊《先进材料》（Advanced Materials）刊登了一项具有里程碑意义的研究成果。经过多年来持续不断的研究，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究团队，终于把锂离子电池内部所有的组成结构都换成了可以弯折、扭曲的新材料，制造出了世界上第一块可以“任意”弯曲、拉伸的锂离子电池。
一旦这项研究成果能够在未来得以改进并投入商业化应用，或将对未来电子产品的设计产生革命性的影响。
屏幕折叠
我们似乎可以将2019年称为“折叠元年”。今年上半年，手机行业巨头三星和华为相继发布了自己的可折叠手机，惊艳全球，吊足了全世界消费者的胃口，小米也在不久前发布其首款折叠概念手机小米 MIX alpha。各大手机厂商都在小小的屏幕上做足了劲头，为了可折叠屏幕费尽了心思。
现有的可折叠手机之所以可以折叠，仰赖的是柔性屏幕。可折叠 OLED 显示屏是电子行业近年来最值得骄傲的技术突破之一。但除了屏幕，厂商们对手机其他部件的折叠似乎无能为力，其他部件与普通手机并没有突破性的区别。这意味着，除了在手机两个部分的连接处负责弯曲的铰链之外，目前可折叠手机的其余部分依旧“宁折不弯”，稍有不慎，依然有着损坏、甚至自爆的风险。
手机自爆的“元凶”，只有一个——电池。
一块锂离子电池的结构，可以被理解成是一个“三明治”，夹在中间的是负责传递锂离子的电解质/隔膜，而位于上下两端的是负载正负极材料、并收集和传导电流的集流体。
目前主流商业锂离子电池的电解质，是易燃易爆的有机溶剂和锂盐组成的溶液，是一种液体。这种电解质有一个极其危险的副反应，遭遇空气后，极易与氧气与水分反应，产生鼓包，甚至自燃。因此，主流的商用电池必须用钢制或者铝制的坚硬外壳紧密包裹，防止电解液与外界的接触。有着如此坚硬的外壳，折叠自然无从谈起。要想实现电池的可折叠，依赖现有的材料是不可能的。
柔性电池
柔性电池，从字面意思来说并不难理解，即可以承受弯曲、拉伸、扭曲甚至折叠等形变的电池。
为什么能折叠？
构建柔性锂离子电池需要从集流体、电极材料、电解质三个方面入手。
1. 集流体
传统的集流体用的是金属材料（比如铝正极和铜负极），但金属除了具有质量大、表面光滑等会影响电池容量和循环性能的缺点，还会在反复弯曲、拉伸、折叠过程中造成不可逆形变，致使电池失效。
为解决这些问题，可选用有机聚合物/金属复合物集流体，即将金属材料镀在有机聚合物薄膜的表面，形成既可导电又具柔性的集流体；也可选用基于碳材料的集流体，即利用碳材料导电性好、质量小、表面较粗糙等强于金属材料的性质，将其与活性物质压制成分层的薄片结构，形成完整电极。
2. 电极材料
传统的锂离子电池中，电极材料（含锂过渡金属氧化物）通常被涂覆在集流体上，但是经过反复弯曲、拉伸、折叠会导致其脱落，故可以考虑脱离集流体限制的、可适应形变要求的独立式电极。
例如，基于碳纳米管的独立式电极，由于碳纳米管可提供柔性特质、骨架结构及快速的电子传输路径，并允许材料膨胀等一系列的优点，可提高电极材料的循环性；基于石墨烯材料的独立式电极，石墨烯相较碳纳米管具有一些更优异、独特的性质，其层状结构和大的横纵比可组装成具机械柔性的石墨烯膜电极。
3. 电解质
对柔性电池而言，传统电解液的流动性会限制其大小和形状，正如上文讲到的，传统液体电解质有着非常致命的副反应，为了防止之中反映的产生，主流的商用电池都是用钢制或者铝制的坚硬外壳紧密包裹，防止电解液与外界的接触。因此柔性电池基本弃用液体电解质，而选用固态电解质，这也是柔性电池被划分为固态电池的一大原因。值得一提的是，近日最新的诺贝尔化学奖得主约翰·古迪纳夫，其2017 年发表的最新研究成果，也是一款固态锂离子电池。
选用合适的固态或者凝胶电解质尤为重要，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究团队的方案就是采用非液态电解质。陈曦他们选用的电解质，是一种介于液体和固体之间的特殊物质——水凝胶。
怎么样实现折叠？
目前技术最为领先，最具发展前景的就是上文多次提到的，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队。并且值得注意，论文的第一作者、可拉伸锂离子电池的主要发明人是一名华人，苏黎世联邦理工学院陈曦博士。
下面就介绍一种实现锂电池折叠的方法，也就是陈曦博士团队的研究方案。他们的最终方案，是一种同样按照“三明治”结构制成的可折叠的固态锂离子电池。
1.在电解质方面。如上文所说，陈曦他们选用了水凝胶，水凝胶是一种亲水的三维高分子网络结构凝胶。一方面，它具有类似于橡胶的性质，拥有大量的交联的有机高分子链，链与链之间往往由共价键、氢键或是静电作用力相互交联。在受到拉伸时，尽管每一个高分子链都会被拉长，但分子链之间却由于强力的共价键的存在，而不会出现相对滑移。拉力消失时，高分子链收缩，物体又会恢复本来的形状。
另一方面，亲水的性质让水凝胶可以携带大量的水分。研究人员就把比例适当的高水溶性锂盐溶解进了水凝胶的这些水分之中。研究显示表明，这种具有极高浓度的锂盐水溶液可以用于制作锂离子电池的电解液。结果表明，这种高浓度的锂盐溶液可用于制备锂离子电池电解液。水凝胶还有一个明显的优点——安全性。它不与空气中的水和氧反应，也不产生氢氟酸。这样，他们开发出了一种新型的电解液，这种电解液容易拉伸、扭曲，而且非常安全。
2.在集流体方面，研究人员设计出了一种由四种材料复合而成的特殊结构，同时实现了可以弹性形变和导电性良好这两种需求。
第一种材料，是一层由有弹性的聚合物制成的薄膜，作为集流体的基底；第二和第三种材料，是分散在基底里面的碳纳米管和碳黑颗粒。这些可以导电的填充物，让基底拥有了一定的导电性。而彻底解决导电性问题，最关键的是第四种材料——沉积在基底表面的一层银胶。
从微观上来看，这种结构里的金属银是一堆层层叠叠在一起的六角形的二维片状结构。它们有的固定在基底上，有的则像瓦片一样搭在别的银片上，集合在一起就形成了一个良好的电子通路。当集流体被拉伸时，银片之间会发生相对的滑移，但依然可以保证这一片的“底部”还能继续搭在另一片的“边角”上，让电流的通过不受影响。即便在少数的局部地方，银片之间出现了完全的脱离，分散在基底里的碳纳米管和碳黑颗粒也能起到传导电流的作用。
3.在正负极方面。使用了铜箔、铝箔的商用电极是不可以弯折的，但如果把电极粉末和可以形变、还导电性良好的材料结合起来，那么电极就可以形变。
最终，使用喷涂沉积的方法，将正、负极材料和集流体结合起来，采用相框形式的结构，封装集流体和电解质在一起，可折叠、拉伸的固态锂电池就诞生了！
小结
时代在进步，科技在发展。在科研工作者的努力下，柔性电池或者说可折叠的固态电池，在前进方向上迈出了一大步，未来柔性穿戴、便携式设备、可折叠电子产品行业将会突飞猛进发展。也许就在不远的将来，人们只会在博物馆见到手机这种“硬邦邦”的产品了。
（中国粉体网编辑整理/漫道）
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参考来源
DeepTech、人民网-科普中国、新浪网-财经
陈悦.基于碳纤维及其织物的柔性锂电池电极研究进展
