美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年9月10日，蘋果公司在美國加州舉辦新品發(fā)布會，庫克帶來了三款手機(jī)，分別是iphone11、iphone11Pro及iphone11ProMax。我國的起售價(jià)分別是5499元、8699元和9599元。新一代iPhone在電池續(xù)航時(shí)間、攝像頭等方面做出了很多的改變，但總體來說變化不大——既不支持5G，也不具有折疊功能。

隨著可折疊或卷起屏幕的計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)的發(fā)展，電子行業(yè)受到越來越多的關(guān)注，如智能服裝使用可穿戴的微型設(shè)備或傳感器來監(jiān)視身體溫度、心率等功能。所有這些設(shè)備都需要能量來源——電池，一般使用的是鋰離子電池。商用鋰離子電池通常很笨重，根本上不適合用于柔性電子產(chǎn)品或紡織品。另一方面對柔性電池而言，傳統(tǒng)電解液的流動性會限制其大小和形狀，選用合適的固態(tài)或者凝膠電解質(zhì)則變得更加重要。

2019年9月6日，AnvancedMaterials在線發(fā)表了題為“FullyIntegratedDesignofaStretchableSolid-StateLithiumIonFullBattery”的文章。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院MarkusNiederberger教授團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了一種柔性薄膜電池的原型，該原型電池可以彎曲，拉伸甚至扭曲，而不會中斷電源。迄今為止，還沒有科研工作者系統(tǒng)地專門采用柔性組件創(chuàng)建鋰離子薄膜電池。

在不斷開電源的情況下扭曲，拉伸和彎曲電池（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

研究預(yù)覽：團(tuán)隊(duì)人員引入了固態(tài)鋰離子電池，其中所有組件（集流體，正極和負(fù)極，電解質(zhì)和封裝）都是可拉伸的。通過在可拉伸的碳聚合物復(fù)合材料上沉積Ag微薄片作為導(dǎo)電層，可以得到在100％應(yīng)變下具有約2.7Ω-1的低平方電阻的集流體。可伸縮復(fù)合電極是通過將活性材料與彈性集電器集成在一起而制成的。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了聚丙烯酰胺-“”（這個(gè)術(shù)語目前沒有準(zhǔn)確的中文翻譯，建議使用英文water-in-salt）電解質(zhì)，可提供10-3至10-2Scm-1的高離子電導(dǎo)率和，并且在室溫下具有出色的拉伸性（最高可達(dá)到其原始長度的約300％）。最后，研究人員將所有這些組件組裝成薄膜配置的固態(tài)鋰離子全電池。由于在全電池中使用完全可拉伸的單個(gè)組件，整個(gè)電池在拉伸、彎曲甚至扭曲時(shí)可以保持正常運(yùn)作。

這種新電池與眾不同之處在于其電解質(zhì)--——水性凝膠復(fù)合電解質(zhì)，當(dāng)電池充電或放電時(shí)，鋰離子會通過該部分在正負(fù)極間穿梭。該電解質(zhì)是由MarkusNiederberger教授的博士生——陳曦首先發(fā)現(xiàn)的。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的水性凝膠電解質(zhì)是將高濃度鋰鹽的水溶液和聚丙烯酰胺彈性凝膠復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)高彈性，高離子電導(dǎo)率和較寬的電話學(xué)穩(wěn)定窗口。

應(yīng)力應(yīng)變曲線

由上圖可以看出，三個(gè)樣品在第一個(gè)循環(huán)的初始2mm處觀察到不可恢復(fù)的塑性變形。在之后的循環(huán)中，樣品彈性變形從15%到100%應(yīng)變時(shí)，具有良好的可逆性。該課題組還觀察了CNT和CB添加劑對SEBS基底的機(jī)械性能增強(qiáng)作用，與純SEBS膜相比，SCC和SCCA的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度均提高了2.5倍。

拉伸作用下，樣品帶的長寬比

為了測量SCC薄膜和SCCA薄膜的薄膜電阻，樣品帶被安裝在薄膜拉伸試驗(yàn)機(jī)上分別拉伸至25%、50%、75%、100%。不同拉伸水平的電阻是通過施加1.0mA毫安電流和記錄樣品兩端的感應(yīng)電壓。采用歐姆定律，計(jì)算出電阻R值，再根據(jù)Rs=R/AR（其中AR=樣品的長寬比）計(jì)算出每種樣品的Rs。因最上層銀片的存在，在同樣的拉伸程度下，觀察到SCCA的AR較SCC略有降低。

四種樣品在5℃·min-1空氣流下的TGA曲線

四種樣品的TGA曲線如上圖所示，其中PAM-dry和PAM-hydrogel作為參考。對于PAM-dry來說，在208℃時(shí)有5.5%的減重，認(rèn)為是吸附水分的殘留和水分子與聚合物鏈之間結(jié)合的去除。PAM在208℃-405℃有65%的重量減少，在超過405℃時(shí)約有7.5%的減重。這個(gè)減重過程是因?yàn)榻徊骀溄雍途酆线^程中殘基的退化引起的。對于PAM-hydrogel來說，在低于206℃時(shí)有72%的減重，認(rèn)為是電解質(zhì)中水分的去除，也可以認(rèn)為是電解質(zhì)聚丙烯酰胺水凝膠的含水量。

該團(tuán)隊(duì)按照商用電池的設(shè)計(jì)從集流體、電極材料、電解質(zhì)這三個(gè)方面入手，像三明治一樣分層地構(gòu)造新型電池。這標(biāo)志著研究人員首次使用具有不同的電化學(xué)理化性質(zhì)的彈性復(fù)合材料構(gòu)建電池中的所有必要組件，從而使整個(gè)電池在彎曲或拉伸的狀態(tài)保持正常運(yùn)作。

電池由各種柔性材料制成三明治狀（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

為構(gòu)建彈性集流體，該團(tuán)隊(duì)研究人員在復(fù)合材料的內(nèi)表面上涂了一層微米級的銀薄片。薄片像屋頂瓦片那樣重疊，在拉伸彈性體時(shí)它們不會彼此失去接觸，保證了在通電情況下，電子的流動。即使集電體經(jīng)受了較大的拉伸，這也確保了其導(dǎo)電性。并且，如果少量銀薄片在局部區(qū)域失去接觸，則電流仍然可以流經(jīng)導(dǎo)電含碳復(fù)合材料，盡管其導(dǎo)電性相對較低。在掩模的幫助下，研究人員將陽極和陰極粉末噴涂到該彈性集流體的工作區(qū)域上，陰極由錳酸鋰組成，陽極是釩氧化物。最后MarkusNiederberger教授團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)集流器堆疊在一起，所施加的電極彼此疊置，并由與相框類似的阻擋層隔開，而相框的間隙中充滿了電解質(zhì)凝膠。

MarkusNiederberger教授說該電池的優(yōu)勢有兩點(diǎn)：第一點(diǎn)是可應(yīng)用到生產(chǎn)具有可折疊屏幕的設(shè)備。其他潛在應(yīng)用包括用于計(jì)算、智能手表和平板電腦的可滾動顯示器，可植入醫(yī)療器械市場如植入式心臟起搏器、植入式神經(jīng)刺激器、植入式機(jī)電心臟循環(huán)系統(tǒng)或彎曲電子設(shè)備的功能性紡織品的電源，甚至可以將電池縫在衣服上。第二點(diǎn)是與傳統(tǒng)的電解質(zhì)的流動性限制其大小和應(yīng)用不同，該電池的電解質(zhì)是包含高濃度鋰鹽的水性凝膠電解質(zhì)，如果發(fā)生電池泄露，可以確保流出的液體不會造成破壞性后果。這也是該電池具有明顯優(yōu)勢的地方。

研究結(jié)果：智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的興起促進(jìn)了電子學(xué)的發(fā)展，然而可折疊電池限制了微型設(shè)備和傳感器的廣泛應(yīng)用。MarkusNiederberger教授團(tuán)隊(duì)采用傳統(tǒng)的集流體、電極材料、電解質(zhì)式的三明治結(jié)構(gòu)完成了可折疊全電池的集成電路設(shè)計(jì)。這種電池可以彎曲、拉伸和扭曲并且仍然能正常工作。電池拉伸至50％之后，在120mAg-1下循環(huán)50次后，仍可獲得28mAhg-1的可逆容量和20Whkg-1的平均能量密度，確保電池功能的穩(wěn)定和正常使用。對于柔性電子設(shè)備和智能手機(jī)來說，該電池的“前途”不可限量。

關(guān)于鋰電池

“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。