柔性、可彎曲化將是未來電子設備的發展潮流

柔性、可彎曲化將是未來電子設備的發展潮流

工程師4 發表於 2018-05-01 14:56:00

隨著電子設備的發展，柔性電子設備越來越受到大家的重視，這種設備是指在存在一定範圍的形變（彎曲、摺疊、扭轉、壓縮或拉伸）條件下仍可工作的電子設備，比如像下面幾幅圖所示的具有酷炫樣式和功能的設備。很多廠商目前都已經開始研發和推出相關的產品，比如彎曲顯示器與觸屏、射頻識別標籤、可穿戴傳感器、可植入醫療器械、手環、手錶甚至是手機等等。不難看出，柔性、可彎曲化將是未來電子設備的發展潮流，是科技領域中未來若干年內的重要增長點。下面就來了解一下相關內容吧。

剛柔相濟的神奇電池：柔性電化學儲能器件

目前即使對於普通電子設備來說，電池因為不能滿足續航要求，已經成為了大家的一大「槽點」，而且已經成為了其發展的一大瓶頸（電池佔手機體積的近三分之一）。而對於柔性電子器件來說，其要求的電池不僅要具有相當的容量，同時還要具有配套的柔性，甚至是具有可拉伸、扭曲以及其它複合用途等更多豐富功能。這就要求我們更要對柔性儲能器件進行研究，而如果通俗的說，就是我們需要開發柔性的電化學儲能器件，即「可以彎的電池」，甚至是「不只是可以彎還可以做更多事情的電池」。比如像以下幾幅圖中所示的可彎曲薄膜型電池，以及可打結電纜型電池。

剛柔相濟的神奇電池：柔性電化學儲能器件

怎樣把電池做成柔性的呢？

實際上，從材料科學的角度來看，傳統的鉛酸、鋰電，以及乾電池，都是剛性的，不能經受劇烈的形變。這是由材料為剛性、界面接觸、液體電解質洩露、封裝材料限制等一系列因素決定的。而如果想要克服這些問題，也必須要在以上幾個方面針對性的做工作來解決問題。

1、把電極做成柔性的

傳統電池常常要用金屬箔（鋁銅等）做電極集流體（current collector），然後再把導電劑+活性物質+粘結劑調成漿糊一樣的東西塗上去。然後乾燥就可以製成電極。然而這樣的工藝路線柔性電池是不太適用的，主要是因為：金屬箔本身質量太大，降低了能量密度;金屬箔偏光滑，與材料結合差，更經不起柔性用途中反覆的「折騰」。而為了解決這個問題，電極就必須使用本徵具有柔性的活性材料，或者把活性物質與柔性材料進行複合。本徵具有柔性的材料主要有碳系材料和高分子。在碳系材料中，碳納米管和石墨烯是研究比較多的兩類，而在柔性器件中，這兩種材料本徵的良好的力學性能和天然的柔性使它們具有了在普通電池領域中不具有的巨大優勢，非常有研發潛力。此外，碳紙也很有用。從複合材料上看，纖維素-紙張/織物是一類非常值得重視的材料。紙張與織物柔性極佳，成本低廉，雖然本徵上不導電，但是可以通過與導電的碳材料進行複合變成導電材料，從而取得良好的綜合性能。要注意，複合的工作可以非常直觀有趣，可以用浸漬的方法，甚至可以用配碳納米管「墨水」再用毛筆書寫來完成，具體可以參考STANFORD大學CUI YI組的工作（下圖）

剛柔相濟的神奇電池：柔性電化學儲能器件

除作為基底外，紙張和織物的多孔特性使其也可以用做隔膜，而且阻抗低於商用隔膜。由上可見，紙張材料在柔性電池中應用廣泛。因此有人提出了通過列印工藝在一張紙上集成出電容器需要的所有部件的想法。基於紙材料製備的電池/電容器，有著能量功率密度高（輕質）、成本低廉的優勢——與時下流行的3D列印結合，也可以做出很多有趣的電池。

2、在電解質方面下功夫

傳統液態電解質的兩大優點是：良好的接觸界面以及有高離子電導。因此現在很多的柔性鋰離子電池仍然使用液態電解質，該類電池綜合性能良好，除去柔性外，很多特性與現在常用的普通電池相近。但這類電池有兩大問題：①受損後電解液有洩露的危險;②液態電解液的溫度穩定性很不理想。

液態鋰離子電池（左），固態鋰離子電池（右）

這些特性導致了其不是柔性電池滿意的解決方案，因此開發各種固態電解質仍然是柔性電化學儲能器件研究的關注重點。

固態電解質主要有凝膠高分子電解質（高分子溶劑+無機鹽溶質）以及純無機固態電解質兩大類。相比之下凝膠電解質成熟度較高，更容易開發產品;而無機電解質則有許多可探索的內容，技術發展前景很大。目前典型的材料體系有鈣鈦礦、石榴石、LISICON、氧化物、硫化物等，每一個體系有自己的優點與缺點，在此不詳述。

典型的各類鋰電解質材料電導率隨溫度的變化

此外，還可以綜合以上有機、無機兩大類電解質的優點，將其複合製備成有機-無機複合體系，也是一個重要的研究和工程應用方向。

3、製備工藝

可以通過列印、塗覆與噴塗工藝來製備柔性電池。這幾種工藝都是利用液態的漿料把活性物質複合到自支撐基底上，經乾燥得到複合材料。

第一類工藝：列印。對於該工藝，首先是需要配製含有活性物質的墨水（比如石墨烯/碳納米管，正負極材料粉末），然後在紙張等材料上進行列印，就可以製備紙基柔性電池。在基底材料中，紙張和織物無疑比起塑料、金屬材料更為適合列印等工藝的需求。

噴塗製備鋰離子電池的過程示意圖

第二大類技術：化學/物理沉積，可以製備大多具有薄膜狀構型的複合材料。該方法的優點是活性物質與基底可以形成牢固的化學結合，對於一些理化性質特殊的材料如LiPON電解質，以及鋰負極，一些固態電解質的製備，具有特別重要的意義。這類技術特別適合薄膜型鋰離子電池的製備，在超薄電池、傳感器、微型化方面最有前景，但是其主要問題在於效率低，成本高，大規模生產有一定困難。

第三類：紡織工藝。該工藝特別適合把原材料製備成1D纖維（紡絲）或將纖維型原料製成2D織物（編織）。如果原料為纖維狀電池，可以得到2D的多功能能量存儲柔性織物，如光電轉換與儲能的集成器件，在可穿戴設備、智能織物等領域中具有極大的發展前景。

4、具有不同結構、功能的典型柔性電池

（1）疊層型電池——電極結構像三明治一樣層層堆疊而成，實際上這種電池也是結構上最為傳統的——與我們常用的電池區別不大。

（2）電線/電纜/纖維型電池。柔性電子器件大多是在平面基底上實現的。與薄膜結構電池相比，線狀結構美觀、質輕，易於紡成2D的織物或扭成不同用途所需的形狀。基於該結構製備的能量存儲器件可以作為零件整合到各種電子元件中去發揮供能作用。金屬線、碳系材料纖維都可以做成這一類的電池。

MWCNT纖維型電池/電容器的結構示意圖

（3）透明柔性電池。該類技術在與光伏器件整合的光電轉換-存儲裝置、觸摸顯示裝置等方向上有廣闊的前景。傳統電池中使用的各種材料都是不透明的，但是將其低維化後，他們會變的很細小，這樣即使組合起來，光也能透過。金屬銀就可以通過這種方式，納米化後與高分子複合製成透明電極材料。

三明治結構的柔性透明儲能器件的結構與實物照片

（4）可拉伸電池。可拉伸器件是可拉伸顯示、可拉伸天線、人工肌肉及皮膚傳感器等新興領域的關鍵技術。此時要求電池能承受至少1%的應變，不僅能彎曲，還要能拉伸、卷繞、壓縮等。為了滿足這些要求，可以通過優化材料（織物、纖維、橡膠、彈性體等可拉伸物質），以及結構設計（通過為材料設計和使用一些可以抵抗拉伸的宏觀結構，如通過預加應力、應變方法，使材料初始位於壓縮/褶皺/曲折狀態）來製備可拉伸電池。代表性的工作是XU等製備的高拉伸比鋰離子電池，該電池使用了分段的布局及對稱的可變形蛇紋彎曲狀的電學接觸結構，具有300%的拉伸變形度和200%的可逆變形度。

拉伸變形度可達300%鋰離子電池的結構示意圖

（5）高性能柔性雜化電池/電容。對於柔性電化學儲能器件，因為微型化帶來的封裝等非活性物質佔比增加以及柔性化對於材料的其它要求，導致了其能量、功率密度相比於傳統的塊體型電池/電容有了進一步的降低，而把電池與電容進行雜化可以很好的綜合兩個體系的性能優勢，而且有望在能量、功率密度問題更為嚴峻的柔性儲能器件領域提供更好的解決方案。

（6）與其它器件一體化集成的多功能柔性電池。柔性電池可以與其它器件集成，滿足新型電子設備的需求，並且在此中可以發揮更多的想像和創造力。

5、小結

隨著科技的進一步發展和需求的進一步多樣化，電化學儲能器件需要滿足更多各個領域提出的全新的要求。近年來，柔性電化學儲能器件領域的研究成果豐碩，也已經有許多企業推出了一些相應產品，相應技術將成為重要的發展方向與研究熱點。隨著技術的發展，該類技術將逐漸走向成熟。材料科學的進步，電子消費品工業的發展、需求以及推動作用應該是該類技術發展的最大動力。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴