隨著電子設(shè)備的發(fā)展，柔性電子設(shè)備越來(lái)越受到大家的重視，這種設(shè)備是指在存在一定范圍的形變(彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、壓縮或拉伸)條件下仍可工作的電子設(shè)備，比如像下面幾幅圖所示的具有酷炫樣式和功能的設(shè)備。很多廠商目前都已經(jīng)開始研發(fā)和推出相關(guān)的產(chǎn)品，比如彎曲顯示器與觸屏、射頻識(shí)別標(biāo)簽、可穿戴傳感器、可植入醫(yī)療器械、手環(huán)、手表甚至是手機(jī)等等。不難看出，柔性、可彎曲化將是未來(lái)電子設(shè)備的發(fā)展潮流，是科技領(lǐng)域中未來(lái)若干年內(nèi)的重要上升點(diǎn)。

目前即使關(guān)于普通電子設(shè)備來(lái)說，電池因?yàn)椴荒軡M足續(xù)航要求，已經(jīng)成為了大家的一大槽點(diǎn)，而且已經(jīng)成為了其發(fā)展的一大瓶頸(電池占手機(jī)體積的近三分之一)。而關(guān)于柔性電子器件來(lái)說，其要求的電池不僅要具有相當(dāng)?shù)娜萘浚瑫r(shí)還要具有配套的柔性，甚至是具有可拉伸、扭曲以及其它復(fù)合用途等更多豐富功能。這就要求我們更要對(duì)柔性儲(chǔ)能器件進(jìn)行研究，而假如通俗的說，就是我們要開發(fā)柔性的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，即可以彎的電池，甚至是不只是可以彎還可以做更多事情的電池。比如像以下幾幅圖中所示的可彎曲薄膜型電池，以及可打結(jié)電纜型電池。

怎么樣把電池做成柔性的呢?

實(shí)際上，從材料科學(xué)的角度來(lái)看，傳統(tǒng)的鉛酸、鋰電，以及干電池，都是剛性的，不能經(jīng)受劇烈的形變。這是由材料為剛性、界面接觸、液體電解質(zhì)泄露、封裝材料限制等一系列因素決定的。而假如想要克服這些問題，也必須要在以上幾個(gè)方面針對(duì)性的做工作來(lái)解決問題。

1、把電極做成柔性的

傳統(tǒng)電池常常要用金屬箔(鋁銅等)做電極集流體(currentcollector)，然后再把導(dǎo)電劑+活性物質(zhì)+粘結(jié)劑調(diào)成漿糊相同的東西涂上去。然后干燥就可以制成電極。然而這樣的工藝路線柔性電池是不太適用的，重要是因?yàn)椋航饘俨旧碣|(zhì)量太大，降低了能量密度;金屬箔偏光滑，與材料結(jié)合差，更經(jīng)不起柔性用途中反復(fù)的折騰。而為了解決這個(gè)問題，電極就必須使用本征具有柔性的活性材料，或者把活性物質(zhì)與柔性材料進(jìn)行復(fù)合。本征具有柔性的材料重要有碳系材料和高分子。在碳系材料中，碳納米管和石墨烯是研究比較多的兩類，而在柔性器件中，這兩種材料本征的良好的力學(xué)性能和天然的柔性使它們具有了在普通電池領(lǐng)域中不具有的巨大優(yōu)勢(shì)，非常有研發(fā)潛力。此外，碳紙也很有用。從復(fù)合材料上看，纖維素-紙張/織物是一類非常值得重視的材料。紙張與織物柔性最佳，成本低廉，雖然本征上不導(dǎo)電，但是可以通過與導(dǎo)電的碳材料進(jìn)行復(fù)合變成導(dǎo)電材料，從而取得良好的綜合性能。要注意，復(fù)合的工作可以非常直觀有趣，可以用浸漬的方法，甚至可以用配碳納米管墨水再用毛筆書寫來(lái)完成，具體可以參考STANFORD大學(xué)CUIYI組的工作(下圖)

除作為基底外，紙張和織物的多孔特性使其也可以用做隔膜，而且阻抗低于商用隔膜。由上可見，紙張材料在柔性電池中應(yīng)用廣泛。因此有人提出了通過打印工藝在一張紙上集成出電容器要的所有部件的想法。基于紙材料制備的電池/電容器，有著能量功率密度高(輕質(zhì))、成本低廉的優(yōu)勢(shì)——與時(shí)下流行的3D打印結(jié)合，也可以做出很多有趣的電池。

2、在電解質(zhì)方面下功夫

傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的兩大優(yōu)點(diǎn)是：良好的接觸界面以及有高離子電導(dǎo)。因此現(xiàn)在很多的柔性鋰離子電池仍然使用液態(tài)電解質(zhì)，該類電池綜合性能良好，除去柔性外，很多特性與現(xiàn)在常用的普通電池相近。但這類電池有兩大問題：①受損后電解液有泄露的危險(xiǎn);②液態(tài)電解液的溫度穩(wěn)定性很不理想。

液態(tài)鋰離子電池(左)，固態(tài)鋰離子電池(右)

這些特性導(dǎo)致了其不是柔性電池滿意的解決方法，因此開發(fā)各種固態(tài)電解質(zhì)仍然是柔性電化學(xué)儲(chǔ)能器件研究的關(guān)重視點(diǎn)。

固態(tài)電解質(zhì)重要有凝膠高分子電解質(zhì)(高分子溶劑+無(wú)機(jī)鹽溶質(zhì))以及純無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)兩大類。相比之下凝膠電解質(zhì)成熟度較高，更容易開發(fā)產(chǎn)品;而無(wú)機(jī)電解質(zhì)則有許多可探索的內(nèi)容，技術(shù)發(fā)展前景很大。目前典型的材料體系有鈣鈦礦、石榴石、LISICON、氧化物、硫化物等，每一個(gè)體系有自己的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，在此不詳述。

典型的各類鋰電解質(zhì)材料電導(dǎo)率隨溫度的變化

此外，還可以綜合以上有機(jī)、無(wú)機(jī)兩大類電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，將其復(fù)合制備成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體系，也是一個(gè)重要的研究和工程應(yīng)用方向。

3、制備工藝

可以通過打印、涂覆與噴涂工藝來(lái)制備柔性電池。這幾種工藝都是利用液態(tài)的漿料把活性物質(zhì)復(fù)合到自支撐基底上，經(jīng)干燥得到復(fù)合材料。

第一類工藝：打印。關(guān)于該工藝，首先是要配制含有活性物質(zhì)的墨水(比如石墨烯/碳納米管，正負(fù)極材料粉末)，然后在紙張等材料上進(jìn)行打印，就可以制備紙基柔性電池。在基底材料中，紙張和織物無(wú)疑比起塑料、金屬材料更為適合打印等工藝的需求。

噴涂制備鋰離子電池的過程示意圖

第二大類技術(shù)：化學(xué)/物理沉積，可以制備大多具有薄膜狀構(gòu)型的復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)是活性物質(zhì)與基底可以形成牢固的化學(xué)結(jié)合，關(guān)于一些理化性質(zhì)特殊的材料如LipON電解質(zhì)，以及鋰負(fù)極，一些固態(tài)電解質(zhì)的制備，具有特別重要的意義。這類技術(shù)特別適合薄膜型鋰離子電池的制備，在超薄電池、傳感器、微型化方面最有前景，但是其重要問題在于效率低，成本高，大規(guī)模生產(chǎn)有一定困難。

第三類：紡織工藝。該工藝特別適合把原材料制備成1D纖維(紡絲)或?qū)⒗w維型原料制成2D織物(編織)。假如原料為纖維狀電池，可以得到2D的多功能能量存儲(chǔ)柔性織物，如光電轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能的集成器件，在可穿戴設(shè)備、智能織物等領(lǐng)域中具有極大的發(fā)展前景。

4、具有不同結(jié)構(gòu)、功能的典型柔性電池

(1)疊層型電池——電極結(jié)構(gòu)像三明治相同層層堆疊而成，實(shí)際上這種電池也是結(jié)構(gòu)上最為傳統(tǒng)的——與我們常用的電池差別不大。

(2)電線/電纜/纖維型電池。柔性電子器件大多是在平面基底上實(shí)現(xiàn)的。與薄膜結(jié)構(gòu)電池相比，線狀結(jié)構(gòu)美觀、質(zhì)輕，易于紡成2D的織物或扭成不同用途所需的形狀。基于該結(jié)構(gòu)制備的能量存儲(chǔ)器件可以作為零件整合到各種電子元件中去發(fā)揮供能用途。金屬線、碳系材料纖維都可以做成這一類的電池。

MWCNT纖維型電池/電容器的結(jié)構(gòu)示意圖

(3)透明柔性電池。該類技術(shù)在與光伏器件整合的光電轉(zhuǎn)換-存儲(chǔ)裝置、觸摸顯示裝置等方向上有廣闊的前景。傳統(tǒng)電池中使用的各種材料都是不透明的，但是將其低維化后，他們會(huì)變的很細(xì)小，這樣即使組合起來(lái)，光也能透過。金屬銀就可以通過這種方式，納米化后與高分子復(fù)合制成透明電極材料。

三明治結(jié)構(gòu)的柔性透明儲(chǔ)能器件的結(jié)構(gòu)與實(shí)物照片

(4)可拉伸電池。可拉伸器件是可拉伸顯示、可拉伸天線、人工肌肉及皮膚傳感器等新興領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。此時(shí)要求電池能承受至少1%的應(yīng)變，不僅能彎曲，還要能拉伸、卷繞、壓縮等。為了滿足這些要求，可以通過優(yōu)化材料(織物、纖維、橡膠、彈性體等可拉伸物質(zhì))，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(通過為材料設(shè)計(jì)和使用一些可以抵抗拉伸的宏觀結(jié)構(gòu)，如通過預(yù)加應(yīng)力、應(yīng)變方法，使材料初始位于壓縮/褶皺/曲折狀態(tài))來(lái)制備可拉伸電池。代表性的工作是XU等制備的高拉伸比鋰離子電池，該電池使用了分段的布局及對(duì)稱的可變形蛇紋彎曲狀的電學(xué)接觸結(jié)構(gòu)，具有300%的拉伸變形度和200%的可逆變形度。

拉伸變形度可達(dá)300%鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖

(5)高性能柔性雜化電池/電容。關(guān)于柔性電化學(xué)儲(chǔ)能器件，因?yàn)槲⑿突瘞?lái)的封裝等非活性物質(zhì)占比新增以及柔性化關(guān)于材料的其它要求，導(dǎo)致了其能量、功率密度相比于傳統(tǒng)的塊體型電池/電容有了進(jìn)一步的降低，而把電池與電容進(jìn)行雜化可以很好的綜合兩個(gè)體系的性能優(yōu)勢(shì)，而且有望在能量、功率密度問題更為嚴(yán)峻的柔性儲(chǔ)能器件領(lǐng)域供應(yīng)更好的解決方法。

(6)與其它器件一體化集成的多功能柔性電池。柔性電池可以與其它器件集成，滿足新型電子設(shè)備的需求，并且在此中可以發(fā)揮更多的想象和創(chuàng)造力。

5、小結(jié)

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展和需求的進(jìn)一步多樣化，電化學(xué)儲(chǔ)能器件要滿足更多各個(gè)領(lǐng)域提出的全新的要求。近年來(lái)，柔性電化學(xué)儲(chǔ)能器件領(lǐng)域的研究成果豐碩，也已經(jīng)有許多公司推出了一些相應(yīng)產(chǎn)品，相應(yīng)技術(shù)將成為重要的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，該類技術(shù)將逐漸走向成熟。材料科學(xué)的進(jìn)步，電子消費(fèi)品工業(yè)的發(fā)展、需求以及推動(dòng)用途應(yīng)該是該類技術(shù)發(fā)展的最大動(dòng)力。