首块柔性锂电池诞生:不仅半透明而且可拉伸

发布日期:2020-07-21

核心提示:日前,一篇关于可伸缩锂离子电池的论文在线上期刊《自然通讯》(Nature Communications)上发表, 这种新的柔性锂电池让微型可伸
日前,一篇关于可伸缩锂离子电池的论文在线上期刊《自然通讯》(Nature Communications)上发表, 这种新的柔性锂电池让微型可伸缩电子设备成为了可能。
 
美国西北大学的黄永刚教授和美国伊利诺伊大学的约翰·罗杰斯(John A. Rogers)教授是论文的通讯作者,他们首次向世界展示了这种柔性锂电池,并用来为他们所创造的具有革命意义的可伸缩电子设备充电。
 
从下面这个视频中我们可以看到,这种电池可以为LED灯持续供电,即使是拉伸、折叠、弯曲,甚至安装在手肘上也能照常工作。这种电池可以连续工作8到9个小时,而且还可以进行无线充电。
 
 
这种电池可以在任何地方使用,包括人体内部。这意味着我们可以将电子设备植入人体中,监控脑电波、心脏活动和其它任何事情,而这些,硬邦邦的传统电池是无法完成的。
 
“我们首先要在一个非常小的空间内并排放置很多电池元件,然后将它们用包装紧密的波浪线相连。”黄永刚教授说道,“正是这些连线让电池拥有了柔性。当我们拉伸电池时,这些波浪式的连线就会展开。这样我们就可以大幅度拉伸设备,而电池也始终处于工作状态。” 
 
这种可伸缩电池的功率和电压与相同大小的传统锂电池相似,但是前者可拉伸至原来的3倍大小,而且依旧能正常工作。
 
黄教授在研究中负责理论、设计和建模部分。 罗杰斯教授则负责带领团队致力于可伸缩电池的实验和制造。他们已经为了制造出可伸缩的电子设备一起工作了六年,在研究过程中,他们面对的主要挑战就是怎样实现电子设备的无线化——也就是摆脱插座的羁绊。现在,他们已经用“空间填充技术”解决了这个问题,制造出了体积小且高性能的电池,用来给电子设备供电。
 
之前,黄教授和罗杰斯教授为了制造出可伸缩的电路,曾经想出一种“弹出式”技术,这种技术可以允许电路任意弯曲、伸展和扭转。他们通过金属线作为“弹出桥梁”创建了一个极小的电子元件阵列。当阵列伸展时,这些金属线就会弹出。
 
而这种“弹出式”技术虽然适用于电路,却不适用于可伸缩的电池。在元件之间需要大量的空间来使得这种“弹出式”的连接得以工作。电路可以在阵列中放置的很松散,但是电池元件的排列必须足够紧密,才能制造出性能足够高且体积足够小的电池,因此在电池元件之间是没有足够的空间使用这种“弹出式”技术的。
 
图片替换文字
柔性电池中的电池元件和它们之间的连线。图片来源:Nature Communications
 
黄教授的解决方案是使用一种较长的波浪式金属线,如上图所示,将其填充在电池元件之间的微小空间内。其中有个独特的机制叫“弹簧中的弹簧”:连接元件的金属线呈“S”型,而在大“S”上还有很多小“S”。当电池被拉伸时,大“S”首先伸展开来然后消失,留下一系列小曲线。继续拉伸时,小曲线也相继消失,电极之间的连接开始绷紧。“我们管这个叫‘有序解体’。”黄教授说道,“这就是我们实现可伸展三倍大小的电池的关键。”
 
这种拉伸过程是可逆的,而且这种柔性电池可以进行无线充电。电池的设计考虑到了可伸缩性感应线圈的集成,可以不需要物理连接而进行外部充电。而且他们的团队发现,经过20次充电循环后,电池的容量几乎没有损失。

 
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