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首个真正可变形的锂电池来了!中国迷信家里程碑冲破

2019-10-12 15:49:04    创事记 微博 作者: 麻省理工科技评论   
图丨 世界首款可拉伸薄膜锂离子电池原型(来源:陈曦)图丨 世界首款可拉伸薄膜锂离子电池原型(来源:陈曦)

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  文/靖海

  来源:DeepTech深科技(ID:deeptechchina)

  近日,有名材料迷信期刊《先辈材料》(Advanced Materials)登载了一项具有里程碑意义的研究成果。经过多年来持续赓续的研究,一个来自瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究团队,终究把锂离子电池外部一切的构成构造都换成了可以弯折、歪曲的新材料,制造出了世界上第一块可以“随便任性”曲折、拉伸的锂离子电池。

  根据该大年夜学网站的报导,这类电池遵守商用电池的设计。引导团队的马克斯·尼德伯格传授称,有关可折叠电池的研发乃至曾经超出了应用于手机的范畴,关于应用折叠显示屏的计算机、智妙手表战争板电脑等电子产品,可折叠电池都将有很大年夜的价值。

  一旦这项研究成果可以或许在将来得以改进并投入贸易化应用,或将对将来电子产品的设计产生革命性的影响。

  DeepTech 独家专访到了本文的第一作者、可拉伸锂离子电池的重要创造人——苏黎世联邦理工学院陈曦博士,为您带来此次研究和折叠电池将来生长的深度解读。

图丨 可拉伸薄膜锂离子电池的创造人——苏黎世联邦理工学院陈曦博士(来源:陈曦)图丨 可拉伸薄膜锂离子电池的创造人——苏黎世联邦理工学院陈曦博士(来源:陈曦)

  本年上半年,手机行业巨擘三星和华为相继发布了本身的可折叠手机,冷艳全球,吊足了全球花费者的胃口,小米也在不久前发布其首款折叠概念手机小米 MIX alpha,是以,本年也被认为是“折叠元年”

  继多摄像头、人工智能、周全屏以后,可折叠很有能够将成为将来手机弗成防止的生长趋势,相干的技巧和产品停顿也一向吸引着科技和贸易界的持续存眷。

图丨华为首款可折叠手机(来源:MIT Technology Review)图丨华为首款可折叠手机(来源:MIT Technology Review)
图丨小米首款 5D 环绕屏概念手机(来源:小米)图丨小米首款 5D 环绕屏概念手机(来源:小米)

  现有的可折叠手机之所以可以折叠,仰赖的是柔性屏幕。从三星到京西方,可折叠 OLED 显示屏是电子行业近年来最值得骄傲的技巧冲破之一。但除屏幕,可折叠手机里的其它部件其实和浅显手机并没有太大年夜的差别。这不只意味着,在手机两个部分的连接处没法安排更多其它元器件,更意味着除担任曲折的搭钮以外,可折叠手机的其它部分依然“宁折不弯”,稍有掉慎,依然有着破坏、乃至自爆的风险。

  而自爆的缘由,正是来源于电池。

  一块锂离子电池的构造,可以被懂得成是一个“三明治”,夹在中心的是担任传递锂离子的电解质/隔阂,而位于高低两真个是负载正负极材料、并搜集和传导电流的集流体。

  今朝主流贸易锂离子电池的电解质易燃易爆的无机溶剂和锂盐构成的溶液是一种液体这类电解质虽然性能极佳,但一旦气密性不好,招致电池遭空气中的氧气或许水分侵入,就有能够产生风险的副反响,招致电池鼓包、自燃,乃至产生剧毒的氢氟酸(HF)。是以,主流的商用电池必须用钢制或许铝制的坚固外壳慎密包裹,防止电解液与外界的接触。有着如此坚固的外壳,折叠天然无从谈起。

  而另外一方面,用于产生电化学反响的正负极,是由粉状的电极材料堆积在铜箔和铝箔——也就是集流体下面制成的。望文生义,所谓的集流体就是电池里存放电极材料、聚集和传导电流的部件。

  在惯例锂离子电池里,正负极薄膜与隔阂慎密贴合、卷绕,难以弯折即使应用单层电极制成薄膜电池,由金属材料制成的集流体一旦弯折,就会招致电极粉末的零落,而尖利的褶皱也会破坏电池构造,乃至刺穿正负极之间的隔阂,轻则影响电池性能,重则异样招致电池自爆。

图丨切切不要随便马虎测试你的手机的抗弯性能——暴力招致的变形是手机自爆重要缘由之一(来源:rankbank)图丨切切不要随便马虎测试你的手机的抗弯性能——暴力招致的变形是手机自爆重要缘由之一(来源:rankbank)

  是以,要想完成电池的可折叠,依附现有的材料是弗成能

  研究人员必须为电池里的每个元器件都找到全新的材料,在包管形变的同时,还能兼顾电池的安然。并且,构成不合部件的不合伙料之间,其电化学功能性还要相互兼容,不然,能让一个部件正常任务的电压,很有能够会惹起另外一个部件产生化学反响乃至掉效。

  一向以来,为电池里一切的部件都找到可以相互适配的可形变材料,一向是电池研究范畴的迷信家和工程师们孜孜以求的课题。陈曦表示,他们停止这个课题研究的前两年,根本上都是在试错。找到精确的研究偏向后,又持续花了两年时间,才终究为锂离子电池的每个构成部分都找到了合适的处理筹划,制造出了世界上第一块可折叠、可变形的锂离子电池。

  他们的终究筹划,是一种异样按照“三明治”构造制成的可折叠的固态锂离子电池

  所谓的固态锂离子电池,指的是电池中用来传递锂离子的电解质不是上文提到的无机溶剂与锂盐的溶液,而是一种固体。值得一提的是,方才于 10 月 9 日取得诺贝尔化学奖的约翰·B·古迪纳夫,其于 2017 年发表的最新研究成果,也是一款固态锂离子电池。

  陈曦他们选用的电解质,是一种介于液体和固体之间的特别物质——水凝胶。

  水凝胶是一种亲水的三维高分子搜集构造凝胶。一方面,它具有类似于橡胶的性质,具有大年夜量的交联的无机高分子链,链与链之间常常由共价键、氢键或是静电感化力互订交联。陈曦他们选用的这类水凝胶,经过过程感化力最强的共价键交联,在遭到拉伸时,虽然每个高分子链都邑被拉长,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。拉力消掉时,高分子链紧缩,物体又会恢答复复兴来的外形。假设没有这类共价键的感化,拉伸的过程当中,链与链之间的滑移就会终究招致材料断裂,没法答复复兴。

  而在另外一方面,亲水的性质让水凝胶可以携带大年夜量的水分。研究人员就把比例恰当的高水溶性锂盐融化进了水凝胶的这些水分当中。

  之前有研究显示,这类具有极高浓度的锂盐水溶液可以用于制造锂离子电池的电解液。比拟于易燃、易爆、剧毒的商用电解质,水性电解质有一个明显的优势——安全。它不会与空气中的水和氧气产生反响,也不会产生氢氟酸。

  这意味着,由这类电解质制成的电池不只在应用的过程当中弗成燃、无毒,还可以直接在空气中停止组装,而传统的锂电池必须在充斥氩气的特别情况下才能包管安然临盆。再加下水凝胶出色的弹性机械性能,他们便研制出了一种可以很轻易地拉伸、歪曲,还非常安然的新型电解质。

图丨 可折叠电池构造表示图(来源:ETH Zurich)图丨 可折叠电池构造表示图(来源:ETH Zurich)

  有了电解质,还须要处理用来存放正负极材料的集流体。前面说到,应用了铜箔、铝箔的商用电极是弗成以弯折的,但假设把电极粉末和可以形变、还导电性优胜的材料结合起来,那么电极不就也能够形变了吗?

  这件任务的艰苦的地方在于,关于材料来讲,可以弹性形变和导电性优胜,常常是一对抵触的需求有弹性的橡胶是很好的绝缘体,导电性能优胜的金属、乃至是导电塑料,都弹性缺乏。经过过程赓续的实验,研究人员设计出了一种由四种材料复合而成的特别构造,同时完成了下面这两个目标。

  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,是分散在基底外面的碳纳米管和碳黑颗粒。这些可以导电的填充物,让基底具有了必定的导电性。而完全处理导电性成绩,最关键的是第四种材料——堆积在基底外面的一层银胶

  从微不雅下去看,这类构造里的金属银是一堆层层叠叠在一路的六角形的二维片状构造。它们有的固定在基底上,有的则像瓦片一样搭在其他银片上,集合在一路就构成了一个优胜的电子通路。当集流体被拉伸时,银片之间会产生相对的滑移,但依然可以包管这一片的“四肢举动”还能持续搭在另外一片的“身材”上,让电流的经过过程不受影响。即使在多数的部分处所,银片之间出现了完全的离开,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感化。研究人员发明,即使拉伸到一倍长度,这类集流体的单位外面导电性也唯一大批降低,表示异常优良。

图丨集流体上担任传导电流的银胶层(来源:doi: 10.1002/adma.201904648)图丨集流体上担任传导电流的银胶层(来源:doi: 10.1002/adma.201904648)

  最后,他们用喷涂堆积的办法,把正负极材料和集流体结合了起来,又用了一种类似于相框的构造,把集流体和电解质封装在了一路,便制成了可折叠电池的成品

  经过测试,全部电池在被拉伸 50% (即使手机被掰弯,电池也很难拉伸这么多)、充放电轮回 50 次以后,依然具有 28 mAh g−1 的可反复应用电量和 20 Wh kg−1 的能量密度,注解了其在极限机械压力下依然具有靠得住的可反复充放电性能。

  关于电子产品设计者来讲,这意味着他们将第一次可以具有如许的想法主意:除屏幕和电路,电池也能随着一路弯!而这将很有能够催生出一系列全新的电子产品

  下面提到的可折叠手机就不消多说了,将来可折叠手机的形状将很能够产生改变。

  这类电池还可以被装置在平板电脑、智妙手表上。你可以想象一下,或许今后的智妙手表会完全变成了一个柔性的“智能腕带”,而电池也不用装置在表盘下面,而是可以藏在表带里了。

  各类医疗、体育练习用的可穿着设备,也终究可以完美“贴身”,乃至于你的外套、书包本身,能够就是一块萧洒、安然的电池织物。

  而在无人发卖便利店里,可形变的电池也能够变成贴在商品身上的有源电子标签的一部分,在产品从临盆加工到发卖、乃至快递上门的全过程当中,为溯源、标价、定位芯片供给持续赓续的电力供给。

图丨 经过极限拉伸以后,电池仍能保持优良的性能(来源:陈曦)图丨 经过极限拉伸以后,电池仍能保持优良的性能(来源:陈曦)

  但是,陈曦表示他只是完成了可折叠电池的“从无到有”的第一步在进入大年夜范围贸易化应用之前,这项可拉伸电池技巧还有很远的路要走

  起首,这款电池的性能还没法和成熟的商用电池相媲美,须要明显进步能量密度;

  其次,须要持续优化充放电的控制和改进封装工艺,以延长其轮回寿命;

  第三,则是降低电池的本钱。作为世界上第一款可以弯折的全电池,他们所采取的部分材料本钱照样较高的,很难在贸易性上和主流电池相对抗。

  陈曦地点的苏黎世联邦理工学院的研究团队,曾经开端针对上述成绩展开进一步的研究了。或许用不了多久,你不当心坐到本身放在沙发上的平板电脑上时,就不再会有心痛的感到了。

  参考:

  https://www.howtogeek.com/425488/why-do-phones-explode-and-how-to-prevent-it/

  https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/09/battery-with-a-twist.html

  Chen X, Huang H, Pan L, Liu T, Niederberger M. Fully Integrated Design of a Stretchable Solid‐State Lithium‐Ion Full Battery. Adv.Mater.2019, first published: 06 September 2019 doi: 10.1002/adma.201904648

  https://www.technologyreview.com/f/613011/huawei-has-unveiled-a-foldable-smartphone-called-mate-x-but-it-costs-2600/

  https://www.cnbeta.com/articles/tech/893787.htm

  https://jacksonfire.co.uk/can-reduce-fire-risks-mobile-devices/

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