華為5G折疊屏時代已來臨？！柔性電池的仿生學靈感來自哪里？

Alisa 5年前 (2019-03-05) 5856瀏覽

【引語】

鋰電專欄

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一前言

2019年“世界移動通信大會（MWC）”2月25日至28日在西班牙登場。其中，華為mate?X和三星Galaxy??fold倍受矚目，這種“鷹翼式折疊”屏幕的面世標志著電子產品新時代的到來。盡管柔性電池尚未用在mate X中，但是技術的發展，人們的需求以及其他電子產品如可穿戴電子設備、電子紙、智能服裝等已經迫切需要可折疊、可伸縮的柔性電池。

鋰離子電池因為其較高的能量密度和較長的使用壽命，成為比較理想的柔性電池研究對象。一個完整的鋰離子電池包含正極、負極、隔膜、電解質、集流體和電池封裝材料這幾個主要部分。在柔性電池的折疊和拉伸過程中，每個部分都要承受一定的形變。因此，柔性電池各部分材料及結構都要在數次折疊和拉伸后保持性能。

經過上億年，地球上的生物一直在不斷進化來適應變化的生存環境。而我們人類也從自然界的變化中汲取靈感，創造了很多新事物，“仿生學”一直用于各個領域。例如，放射狀和螺旋狀絲使得蜘蛛網有很好的韌性和彈性，人們就以蜘蛛網為原型制造了納米纖維網。又比如，根據我們日常生活中的一種剪紙工藝品，采用相似結構的柔性超級電容器也得到很好的性能。在柔性電池的發展過程中，我們又從自然界中得到了哪些靈感呢？本文將詳細介紹。

二屈曲結構

屈曲結構，又稱波浪型結構，顧名思義就是一種波浪型可拉伸的結構。通常會將活性物質涂覆在波浪型金屬極片上制作可拉伸電極。而基于這種波浪結構的多層屈曲結構則表現出了更優異的性能。2015年，Fang及Baughman的研究小組合作發表在Science上面的一篇文章中，將碳納米管層片（NTS）卷到拉伸的彈性橡膠纖維上，當纖維拉伸壓力釋放后，其表面覆蓋的碳納米管就形成了一種多層屈曲結構。這種多成屈曲結構碳納米管在拉伸形變為1320 %時電阻只有小于5?%的變化，在柔性電池中有很好的應用潛力 [1]。

圖1.多層屈曲結構形成過程及SEM圖片

三折紙手工

折紙，是折或疊紙張的藝術，把紙張折出特定的形狀和花樣，只需要透過折疊的技巧就可以創造出復雜精細的設計。通過折疊，彎曲等將2D維度的紙折疊成3D空間的多種形狀。而將折紙技術應用到平面的鋰離子電池中又迸發了什么樣的火花呢？2014，亞利桑那州立大學的Jiang 研究小組將集流體、正極、負極、隔膜和封裝材料按照兩種不同折角折疊組裝，當拉伸，彎曲時，因為折疊的作用，電池能夠承受很大的應力，有很好的彈性，將電池多次折疊后仍然保持很好的循環容量 [2]。

圖2.折疊電池的組裝示意圖

四剪紙

剪紙，是中國最古老的民間藝術之一，在紙上剪刻花紋，來裝點生活或者配合一些民俗活動。與折紙不同的是，剪紙包含對紙的裁剪。2015年，亞利桑那州立大學的Song研究小組通過裁剪、折疊制作了一種?“cut-N-shear”電池組裝結構，當有外力作用時，缺口可以通過旋轉調整結構。通過這種方法組裝的電池在150 %?的拉伸時仍然能保持儲能性能 [3]。

圖3.“cut-N-shear”電池組裝結構示意圖

五彈簧

彈簧，在我們的生活中隨處可見。彈簧正是因為它很好的彈性和恢復力應用廣泛。柔性電池的設計中必然也少不了彈簧的靈感來源。復旦大學的Peng研究小組將碳納米管纏繞在彈簧形狀纖維上，形成的碳納米管電極在拉伸過程中仍然保持形狀和容量[4]。他們也將Li₄TiO（LTO）負極材料和LiMn₂O₄（LMO）正極材料一起制作成彈簧結構，這種結構電池在拉伸時容量并未變化[5]。

圖4.彈簧結構電池組裝示意圖及SEM 照片

六多孔結構

多孔結構，比如海綿，除了有很好的吸水性，還有較好的彈性。2016年斯坦福大學的崔屹將電極材料，碳材料和粘結劑填入海綿狀PDMS中，形成的3D 多孔鋰離子電池在80 %?拉伸時保持優良的儲能性能[6]。

圖5.海綿電池示意圖

七 2D “裂痕”

有時候裂痕的形成也不一定是壞事，距離能夠產生美。在熱電子束蒸發或者電子束蒸發生產金薄膜時，通過控制參數可以在薄膜上形成微裂痕[7]。在有外力作用時，這些裂痕可以起到緩沖作用。導電聚合物如PEDOT:PSS、P3HT等在生產過程中也會采用這種策略也增加聚合物薄膜的彈性[8]。

圖6.PDMS 基底上金薄膜（有微裂痕）在拉伸前和拉伸后的SEM 圖片

八網狀結構

自然界中的網狀結構如蜘蛛網具有很優異的機械性能，很柔軟也很堅韌，還有一些網狀結構如葉脈和河流，則能通過相互交聯的網進行有效的質量運輸。所有這些結構都被用于制作柔性電極。網狀電極最簡單的制作方法是將活性物質隨機涂布在彈性基底表面或者注入內部，當在外界施加壓力時，活性物質會被壓縮從而連接在一起。這種方法不會破壞活性物質的本來結構，同時又能產生很好的導電性 [9]。韓國科學技術院的Lee?和Ko?研究小組制作的銀納米線在拉伸時形成了網狀的電路網絡，在作為電極時有很好的導電性 [10]。

圖7.網狀銀納米線電極

九自修復功能

雖然許多不同的方法設想來制作柔性材料，但是實際情況往往要復雜的多。當同時含有柔性和剛性材料的柔性儀器收到外力作用時，儀器內部不可避免的會發生結構變化，甚至會有損傷。啟發于自然界生物和植物的自愈機理，柔性電池也有了相似設計。2012年，斯坦福大學的鮑哲南研究小組在低于室溫時將鎳納米顆粒填充入可自愈的聚合物中。在31 %?鎳含量時，復合物可作為電極，而在15 %?的鎳含量時，復合物可以作為機械傳感器使用。當把復合物的兩端置于室溫時，可以自我修復外力損傷，恢復導電性能 [11]。

圖8.具有自修復功能的鎳復合物電極結構

十結語

功能化一直是人們研發新材料的最終目的。而就像我們人類一樣，許多復雜的行為并不是依靠單一器官，需要各個部位協調完成，柔性電池也是如此，需要電池中的各個部分共同應對外力的變化。大自然提供給我們賴以生存的空間、食物。同時也賦予了我們許多靈感。柔性電池的發展借鑒了自然界的許多例子，同時我們相信，更多的科研人員會將“仿生學”應用到柔性電池中，推動柔性電池的發展。

參考文獻

[1] Science, 2015, 349, 400-404

[2] Nat. Comm., 2014, 5:3140

[3] Sci. Report., 2015, 5:10988

[4] Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13453-13457

[5] J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 11054

[6] Adv. Mater., 2016, 28, 3578-3583

[7] Appl. Phys. Lett., 2004, 85, 3435-3437

[8]Chem. Mater., 2012, 24, 373-382

[9]ACS Nano, 2014, 8, 1590-1600

[10] Adv. Mater., 2012, 24, 3326-3332

[11] Nat. Nanotech., 2012, 7, 825-832