模仿自然功能的可伸縮電池材料，該研究領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展非常有趣，對于下一代可穿戴電子設(shè)備來說是必不可少的。UNIST最近的一項(xiàng)研究提出了一種生物發(fā)酵的Jabuticaba混合碳／聚合物（HCP）復(fù)合材料，該復(fù)合材料使用簡單且經(jīng)濟(jì)高效的溶解工藝開發(fā)出了可拉伸的集流體。研究小組首次將HCP復(fù)合材料用作可拉伸集電器，開發(fā)了一種基于水性電解質(zhì)的高度可拉伸的可充電鋰離子電池（ARLB）。

UNIST能源與化學(xué)工程學(xué)院的Soojin Park教授與Kwedong Seo教授和So Youn Kim教授共同領(lǐng)導(dǎo)了這一突破?？缮炜s的電子設(shè)備由于其極大的靈活性而引起了科學(xué)界對下一代設(shè)備的極大關(guān)注。柔性電子產(chǎn)品的商業(yè)利潤和需求日益增長，促使人們在材料的變形過程中尋求具有高力學(xué)耐用性和高導(dǎo)電性的高度可拉伸電極。盡管已經(jīng)提出了許多用于這些電極的方法，但是它們都無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)電極的高拉伸性并具有可擴(kuò)展性的制造工藝。

Park教授使用導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料解決了這些問題，導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料由簡單溶解過程中所含有碳納米管和炭黑的Jabuticaba類混合碳填料所組成。這種結(jié)構(gòu)的形狀類似巴西grapetree Jabuticaba樹。該研究小組發(fā)現(xiàn)，即便是在高應(yīng)變率下，HCP復(fù)合材料也能有效地保持其電導(dǎo)率，即表示其適用于高度拉伸的水性鋰離子電池。Seo教授負(fù)責(zé)制造可拉伸集電器，他說：“我們的研究結(jié)果將增大具有電化學(xué)和力學(xué)性能的可拉伸納米復(fù)合材料數(shù)量，并且可將其用于各種應(yīng)用中。”

導(dǎo)電填料在復(fù)合材料內(nèi)的滲透行為詳細(xì)分析，可使用拉伸下的原位SAXS測量來完成，其揭示了填料中不同類型的碳會形成高度互連的共支撐網(wǎng)絡(luò)。So Youn Kim 教授領(lǐng)導(dǎo)了原位SAXS實(shí)驗(yàn)。SAXS是測量聚合物基質(zhì)中納米填料行為的非常有用的技術(shù)。此外，該研究小組首次開發(fā)了可拉伸的ARLB作為可拉伸的電源，使用HCP復(fù)合材料作為可拉伸的集電器，即使在100％應(yīng)變下也能向LED提供穩(wěn)定的電力。So Youn Kim教授說：“這項(xiàng)研究有望優(yōu)化電化學(xué)和力學(xué)性能的可拉伸納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，并可將其用于裝置和可拉伸的電子器件。

據(jù)悉，柔性電池的基本結(jié)構(gòu)可以分為一個(gè)主干，以及與主干相連的分支組成，這些分枝會圍繞著主干進(jìn)行卷繞，最終形成類似動物脊椎骨的結(jié)構(gòu)，由主干與外電路連接。這樣的結(jié)構(gòu)不僅保證了電池具有良好的柔性，還極大的提高柔性電池的能量密度，在采用LiCoO2／石墨作為活性物質(zhì)時(shí)，該結(jié)構(gòu)的電池體積比能量可達(dá)242Wh／L。

柔性電池在整個(gè)壽命周期內(nèi)，可能會經(jīng)歷數(shù)千次的彎曲和扭轉(zhuǎn)，因此研究人員采用機(jī)械結(jié)構(gòu)對該結(jié)構(gòu)的柔性電池在機(jī)械載荷下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。即便是在電池彎曲半徑達(dá)到20mm的情況下，電池仍然能夠進(jìn)行穩(wěn)定的充放電，容量僅出現(xiàn)了輕微的降低，這表明大部分活性物質(zhì)在彎曲的過程中都能夠保持與集流體的接觸，沒有出現(xiàn)明顯的活性物質(zhì)脫落。

哥倫比亞大學(xué)研究人員的這一設(shè)計(jì)充分借鑒了動物脊柱的特點(diǎn)，結(jié)合鋰離子電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過仿生結(jié)構(gòu)極大的減小了彎曲和扭轉(zhuǎn)等變形對于集流體和活性物質(zhì)造成的破壞，在保證電池的柔性的同時(shí)，還極大的提高了柔性電池的能量密度，提高了實(shí)用性，該柔性在未來的可穿戴設(shè)備，特別是智能手表等方面有廣闊的應(yīng)用前景。