伴隨著2019MWC（世界移動通信大會）的召開，Huawei和Samsung分別發(fā)布了折疊屏手機MateX和GalaxyFold，極具科技感的外觀設計，出色的硬件配置讓折疊屏手機一夜之間刷屏了我們的朋友圈。新型折疊屏手機屏幕展開后的面積可達7.3英寸以上，增強了用戶的使用體驗。其實，更顛覆性、兼具實用性和性價比的手機設計也已經(jīng)在開發(fā)的路上了，它就是可穿戴的全柔性手機。

全柔性手機被媒體冠以“腕機”之名，它不僅能夠實現(xiàn)中間部分的折疊，更能夠實現(xiàn)整體手機的自由彎折，方便佩戴在手腕等部分，實現(xiàn)與人體更好的結合。目前的折疊屏手機仍然采用的是普通的剛性電池，避開了使用柔性電池的難題。若想推出革命性的全柔性電子器件，必須開發(fā)相應的柔性電源植入其中。因此，開發(fā)具有高能量密度的柔性鋰離子電池，將對推動可穿戴的柔性電子器件的發(fā)展產(chǎn)生重要意義。

“折疊屏”的下一站，全柔性電子器件的關鍵：柔性鋰電池蓄勢待發(fā)

日前，美國哥倫比亞大學楊遠團隊和陳曦團隊，聯(lián)合北京大學深圳研究生院潘鋒團隊在著名期刊ACSEnergyLetters上發(fā)表了一篇《DesigningFlexibleLithium-IonBatteriesbyStructuralEngineering》綜述文章，向我們介紹了學術界柔性鋰電池研究的最新動態(tài)。文章的共同第一作者為北京大學深圳研究生院博士后錢果裕，哥倫比亞大學博士生廖湘標。

由于柔性鋰電池開發(fā)是目前產(chǎn)業(yè)界的關注熱點之一，我們邀請到了柔電科技有限公司創(chuàng)始人、CEO解明，從工業(yè)生產(chǎn)的角度來一同探討這個領域。

【成果簡介】

理想的柔性電池應同時具有較高的柔性、能量密度和功率密度，然而，這幾個因素往往在柔性電池中相互掣肘。在該篇綜述中，作者基于電池元件和整體器件層面的結構設計做了細致的分析，并綜述了柔性鋰電池的最新進展，把目前學術界的開發(fā)思路歸納為以下四種策略：

1）研制多孔結構可變形的電池組件，如多孔集流體、多孔電極、柔性固態(tài)電解質等；

柔性的多孔結構目前已廣泛用于電池組件中，以緩沖當電池裝置經(jīng)受彎曲和扭曲時產(chǎn)生的應變。

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a）LiangbingHu等人報道了一種氧化石墨烯導電多孔薄膜，它具有的導電率高達3112S/cm。用此薄膜作為集流體裝配的柔性鋰電池，在高充放電倍率（5C）循環(huán)100次后，并未發(fā)現(xiàn)容量的明顯衰減。

b）一種單壁碳納米管與聚合物（2,5-二羥基-1,1-苯并醌基硫化物）復合的正極材料被用于裝配柔性鋰電池。該電池在低電流下（50mA/g）展現(xiàn)出了182mAh/g的放電比容量，在超大電流下（5000mA/g）放電時，仍可達到75mAh/g的比容量。

c）HuaXie等人利用細菌纖維素為模板，開發(fā)了一款Li7La3Zr2O12(LLZO)與聚環(huán)氧乙烷復合的固態(tài)電解質。使用多孔互連的聚合物基質作為的機械載體柔軟而堅固，用于傳輸Li離子的LLZO顆粒嵌入其中，整體顯示出1.12×10-4S/cm的高離子電導率和優(yōu)異的機械柔性。

2）超薄電池設計，如單對片（或雙對片）的正極/隔膜/負極結構；

相比于策略1，策略2（超薄電池設計）需要從整體的器件層面進行電池設計。

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a）松下公司發(fā)布的厚度僅為0.55mm的柔性鋰電池，可適用于各類可穿戴設備。即使以彎曲半徑為25mm彎折，或扭曲到±25度角1000次以上后，這種柔性電池仍可保持99%的容量。

b）RobertKun等人報道了一種由柔性的聚酰亞胺作為支撐基底，基于火焰噴涂熱解法制備的Li4Ti5O12/LiPON/Li薄膜固態(tài)電池。在1C倍率下充放電，陸續(xù)以平坦、彎折、平坦的形態(tài)循環(huán)90次后，電池的放電容量保持率仍高達98%以上，表現(xiàn)出了極佳的循環(huán)性能。

3）幾何拓撲的電池設計，如線形結構、Origami、Kirigami結構等；

除了提高電池組件材料本身的柔性，利用幾何拓撲原理設計的電池結構，可以降低形變過程中電池內部產(chǎn)生的應力變化。

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a)該策略最初被JeYoungKim等人報道于其線形電池的工作中，該電池不僅能夠適應彎折形變，還能夠適應更復雜的形狀變化，例如折疊和扭轉。

b)YihuaGao等人采用彈簧狀的LiCoO2/還原氧化石墨烯作為正極材料，結合凝膠電解質，設計和裝配了一種可自愈合的柔性鋰電池。在復雜的形變下（彎折和扭轉），以1A/g的電流密度進行充放電，該電池仍能保持82.6mAh/g的放電比容量；即使切斷、愈合電芯五次，電池仍可發(fā)揮50.1mAh/g的放電比容量。

c)除了線形結構外，紙張折疊技術也廣泛應用于柔性電池。HanqingJiang等人利用Origami折紙方案，可以實現(xiàn)將二維片狀材料通過沿預定折痕折疊，創(chuàng)建出緊湊的可變形三維結構，該三維結構可承受高強度的形變。

d)不久之后，該課題組結合折疊和切割技術，開發(fā)了一種Kirigami方案。該電池在100次充放電循環(huán)后，可以實現(xiàn)85％以上的容量保持率和8％的庫侖效率，在3000次電池變形后，該電池的最大輸出功率也未見明顯衰減。

4）解耦電池的柔性和儲能部分，如脊柱狀電池、Zigzag電池等。

對于上述的柔性電池設計，在復雜變形過程中仍然會發(fā)生活性材料和集流體之間的錯位、剝離、脫落。由于接觸不良而增加的過電位與電池內阻，將降低全電池的容量保持率和庫侖效率，不利于電池的循環(huán)性能。潛在的解決方案是重新設計電池架構，分離能量存儲和提供柔性的部分。

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a)DeVolder等人展示了一種分層的錐形碳納米管結構，類似于植物牽?；ǎ瑢挻蟮幕ü谟脕沓休d正負極活性材料顆粒，下方細長的花柄部分與集流體部分緊密結合，在電池形變過程中，大部分應力施加于集流體本身，錐形結構在此期間幾乎不產(chǎn)生應變，從而表現(xiàn)出極高的柔性。采用這種錐形結構裝配的Fe2O3/LiNi8Co0.2O2全電池，在1C的倍率下充放電500次，仍具有88%的容量保持率。

b)GuoyuQian等人受動物脊柱擁有良好機械強度和柔性的啟示，報道了一種可大規(guī)模制備高能量密度柔性鋰離子電池的方法：通過將厚的、剛性部分沿軸向環(huán)繞起來(對應脊椎)以此儲存能量，而薄的、不環(huán)繞的柔性部分(對應骨髓和椎間盤)用于連接“脊椎”，從而實現(xiàn)了整個器件的良好柔性和高能量密度。由于剛性電極部分的體積遠大于柔性連接部分，占據(jù)電芯體積的95%以上，其整體電池的能量密度可達242Wh/L。合理的仿生設計使得其通過了強動力機械負荷測試。

【企業(yè)界專家采訪】

業(yè)內知名柔性鋰電池專家解明接受了材料人的獨家專訪，以下為專訪內容。

Q：請您基于目前工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，對綜述中歸納的四種柔性鋰電池開發(fā)策略分別做出點評。

A：1）開發(fā)多孔結構的柔性電池元件

如果使用碳（納米管）紙作為柔性集流體成本較高，是生產(chǎn)商不容易接受的；其次，當碳紙作為負極集流體時，其副反應十分明顯。若使用多孔金屬集流體（如銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)等），其柔性可滿足實際需求，但涂布過程中，漿料容易從網(wǎng)狀孔隙中滲透下來，目前開發(fā)相關的涂布工藝，仍是企業(yè)界面臨的重要挑戰(zhàn)。

2）超薄電池設計

超薄電池為了實現(xiàn)穩(wěn)定的機械柔性和電化學性能，大都采用單對片（或雙對片）的低容量（通常小于60mAh）設計，因此其應用場景和市場非常有限。為了把電池做得更薄，臺灣輝能公司推出了一款成熟的柔性聚酰亞胺(PI)覆銅箔作為柔性電池集流體-包裝復合層，在達到實際要求的同時，可以把整體的復合層減小到50微米以下。

3）幾何拓撲型的電池設計

該策略提出的概念非常好，以線型電池為代表，其機械柔性和電化學性能都可以得到一定保障。目前有多個研究團隊致力于開發(fā)新型纖維狀、線型電池，解決傳統(tǒng)瓶頸難題。美中不足的是，這種線型電池的正極、負極與隔膜依賴于自合成，有別于商用的電池元件，這將造成生產(chǎn)成本的增加。此外，大部分線型電池選用的是熱縮管，而不是鋁塑膜封裝，熱縮管材料對水汽和氧氣的阻隔率有限，難以在長期的使用中滿足實際需求。

4）解耦電池的柔性與儲能部分

這種策略采用改良后的商用電池原件，對推動柔性鋰電池的開發(fā)生產(chǎn)很有意義。早在14年左右，國內部分企業(yè)便開始研發(fā)與“脊柱式”電池外觀相似的“竹節(jié)狀”電池。根據(jù)最新對“之字型”(Zigzag)電池的文獻報道，“解耦”策略裝配的柔性電池能量密度可達275Wh/L，在經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化標準的工藝優(yōu)化后，其能量密度仍有可提升的空間。目前，MIT某課題組開發(fā)了一系列全自動個性化電池極片卷繞設備。相信隨著智能制造系統(tǒng)(IMS)服務商的介入，可以逐漸克服該類電池裝配工藝繁復的缺點。

Q：請您介紹一下未來柔性電池的應用場景有哪些？

A：目前柔性可穿戴設備是柔性電池最大的應用市場。以智能手表為例，多家大型消費類電子生產(chǎn)廠商提出了把柔性電池植入智能手表表帶的想法，摘除面板中的電池，實現(xiàn)超輕超薄的表盤設計。他們希望柔性電池的容量能接近500mAh，然而目前業(yè)內較成熟的柔性鋰電池樣品的體積能量密度約為300-400Wh/L，暫時難以達到上述的目標。另外，為了把表帶中的電流導入表盤，需要進行表帶中的電路設計，這將會是一筆不小的開發(fā)投入。

另外，全柔性手機將是未來柔性鋰電池的重要應用場景。日前，柔宇科技和Samsung陸續(xù)發(fā)布了新型可折疊手機FlexPai和GalaxysFold，但這兩款手機仍然采用的是普通的剛性電池，避開了使用柔性電池的難題。若想推出革命性的全柔性手機，必須開發(fā)高容量（大于2000mAh）的柔性電池植入其中。正如該篇綜述里提到的，能量密度與機械柔性通常在柔性電池中此消彼長，采用科學實驗與理論模擬相結合的手段，深入研究柔性電池中的力學基本問題，對推動柔性電池的開發(fā)工作很有幫助。

Q：請您從工業(yè)實際應用的角度談一談柔性電池的核心競爭力。

A：柔性電池相對于傳統(tǒng)不可彎曲的電池，體積能量密度一定會受影響。所以柔性電池一定要找準自己的應用定位，就是在以前不能放電池的地方放電池，充分利用電子設備的每一個有效空間，通過提升電子器件的電池總體容量，來提升待機時間。這是在鋰離子電池材料能量密度沒有得到大發(fā)展之下，解決消費者手機待機焦慮的另一種策略。

總之，柔性電池的確具有廣闊的潛在應用市場。近五年來，如Apple、Sumsung等國際知名企業(yè)已在相關領域展開了專利布局。但是多數(shù)下游的電子設備生產(chǎn)廠商仍期望在柔性電池生產(chǎn)技術日趨成熟之后，再啟動全柔性系列產(chǎn)品的開發(fā)。