傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品一般都是剛性的，無法被拉伸和彎曲，因此其應(yīng)用范圍也受到了限制。然而，柔性電子一改傳統(tǒng)電子產(chǎn)品“僵硬”的形象，成為了電子產(chǎn)品前沿科技發(fā)展的一大重要趨勢。憑借著可彎曲、可扭曲、可伸縮、低功耗、高舒適度、輕薄、耐用、便攜等諸多優(yōu)勢，柔性電子技術(shù)與可穿戴技術(shù)等其他前沿技術(shù)交叉融合，為我們帶來一系列應(yīng)用，例如：智能手表、柔性顯示器、智能織物、智能眼鏡、皮膚貼片、傳感器等。

 

 

然而，隨著柔性可穿戴設(shè)備日益變多，這些產(chǎn)品的供電也成為了關(guān)鍵性問題。雖然筆者曾經(jīng)介紹過一系列“無需電池”自供電技術(shù)，但是目前這些技術(shù)大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，離大規(guī)模商用尚有一段距離。然而，電池本身走向柔性化，也是解決這一問題的重要手段。筆者之前介紹過許多有關(guān)柔性電池的案例。例如，美國加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)的可伸縮燃料電池可以從汗液中提取能量，為LED和藍(lán)牙適配器之類的電子產(chǎn)品供電。

 

 

近日，美國哥倫比亞大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用物理和數(shù)學(xué)系材料科學(xué)和工程專業(yè)助理教授 Yuan Yang 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的原型產(chǎn)品能夠應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。這種鋰離子電池形狀有點(diǎn)像人體脊椎，無論如何彎曲和扭曲，它都具有顯著的柔性、高能量密度、穩(wěn)定的電壓。這一研究的相關(guān)論文發(fā)表于《高級材料》（Advanced Materials）雜志。

 

 

Yang 的小組正探索研究電池材料的成分和結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)高性能，他受到了仰臥起坐運(yùn)動時(shí)人體脊椎的柔韌性啟發(fā)。人體脊椎具有高度柔韌性、機(jī)械魯棒性且可以扭曲，因?yàn)樗辛巳彳浀墓撬璩煞郑⒁部梢耘c硬的椎骨部分互聯(lián)。Yang 使用脊椎模型設(shè)計(jì)出一個具有相似結(jié)構(gòu)的電池。其原型具有厚厚的剛性部分，可以通過將以薄薄的柔性部件（“骨髓”）纏繞電極（“椎骨”），將脊椎般的電極疊層連接到一起。他的原型設(shè)計(jì)讓整個電池都具有了優(yōu)異的柔性。

 

 

Yang 解釋道：“因?yàn)閯傂噪姌O部件的體積顯著大于柔性連接，這種柔性電池的能量密度高于標(biāo)準(zhǔn)商用電池的85%。因?yàn)檎麄€結(jié)構(gòu)中活性材料占有高比例，我們設(shè)計(jì)的這種脊椎般的電池顯示出非常高的能量密度，高于任何我們所關(guān)注的其他報(bào)道中的柔性電池。因?yàn)槲覀兪艿缴飭l(fā)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，所以這種電池也能夠通過嚴(yán)苛的動態(tài)機(jī)械負(fù)荷測試。”

 

 

Yang 的團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)的正極/分離器/負(fù)極/分離器疊層剪成長條，讓多個“分支”可以從“脊椎主干”上延伸出90度。然后，它們將每個分支沿著主干包裹，形成厚厚的疊層用于存儲能量，就像脊椎中的脊椎骨一樣。

 

無論如何彎曲或者扭曲，這種電池都顯示出穩(wěn)定的電壓分布。同時(shí)多次循環(huán)后，電池仍具有穩(wěn)定的容量。在循環(huán)之后，團(tuán)隊(duì)拆解了電池以檢查電極材料的形態(tài)學(xué)變化。他們發(fā)現(xiàn)正電極完好無損，沒有從鋁箔上開裂或剝落的明顯痕跡，從而確認(rèn)了這項(xiàng)設(shè)計(jì)具有高機(jī)械穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步展示這項(xiàng)設(shè)計(jì)的柔性，研究人員在放電期間持續(xù)地彎曲和扭曲電池，發(fā)現(xiàn)彎曲和扭曲都沒有打破電壓曲線。即使電池在整個放電期間持續(xù)地彎曲和扭曲，電壓分布也保持完好。在彎曲狀態(tài)下的電池也能以高電流密度循環(huán)，容量保持率相當(dāng)高（三分之一小時(shí)內(nèi)電量可達(dá)84%）。