美國(guó)研制出可拉伸鋰離子電池

本刊 賈旭平

美國(guó)西北大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)的科研人員開(kāi)發(fā)出了可拉伸的鋰離子電池，這種柔性器件能夠?yàn)閯?chuàng)新性電子設(shè)備提供動(dòng)力，真正實(shí)現(xiàn)電子裝置和電力來(lái)源的小型化、延伸性集成。

這款可拉伸電池的功率和電壓都與同尺寸的傳統(tǒng)鋰離子電池?zé)o異，但它的柔韌特性卻使其能夠拉伸至原有尺寸的3倍，而不影響自身的功能和運(yùn)行，并能在之后恢復(fù)至原有大小?？蒲腥藛T展示了這種電池對(duì)商用發(fā)光二極管的電力供應(yīng)，即使當(dāng)其被折疊、延展、扭動(dòng)和安裝在人類臂肘上時(shí)，發(fā)光二極管也能保持運(yùn)轉(zhuǎn)。新型電池在需要充電前能夠不斷工作8小時(shí)至9小時(shí)，而充電過(guò)程也可通過(guò)無(wú)線進(jìn)行?？衫祀娮友b置能應(yīng)用在任何地方，甚至在人體內(nèi)也能使用，卻無(wú)需通過(guò)電源線連接到插座。

1.電池設(shè)計(jì)

此次研究的對(duì)象為袋狀電池，小型儲(chǔ)能元件通過(guò)具有卓越伸縮特性的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)連接，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。圖1（a~c）分別描述了整個(gè)電池的示意圖，單體電池的多層分解圖和自相似互聯(lián)結(jié)構(gòu)的代表圖。電池的集流體采用光刻型Al圓盤(pán)（600 nm）和Cu圓盤(pán)（600 nm）。整個(gè)結(jié)構(gòu)由100個(gè)并聯(lián)的電極盤(pán)方陣構(gòu)成。LiCoO2正極漿料和Li4Ti5O12負(fù)極漿料經(jīng)過(guò)模壓分別構(gòu)成正負(fù)極活性物質(zhì)層。兩種層在疊加時(shí)中間留有空間像素錯(cuò)位，這樣不但可以避免電短路，還可以省略掉隔膜。在電池的外圍會(huì)使用一種由硅有機(jī)化合物彈性體制成的墊片來(lái)防止上下層的接觸。膠體電解質(zhì)注入到空隙中可充當(dāng)離子傳輸介質(zhì)。采用一種薄的彈性封裝體粘貼到外表面有助于防止?jié)駳鉂B透到電池中，以及防止膠體中的溶劑泄漏出來(lái)。如果電池要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，那么封裝也會(huì)更復(fù)雜。

圖1 電池的總體布局和設(shè)計(jì)

電池在設(shè)計(jì)時(shí)需達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：（1）比表面積容量高，要求活性覆蓋區(qū)面積大；（2）高機(jī)械伸縮性，要求活性覆蓋區(qū)之間有較大距離。研究中采用蛇形配置的自相似線纜結(jié)構(gòu)來(lái)滿足伸縮性方面的要求，且可使互聯(lián)電阻較低。傳統(tǒng)蛇形結(jié)構(gòu)由直線連接的弧線組成。自相似設(shè)計(jì)便是重復(fù)這種基本結(jié)構(gòu)，如圖1(c)中紅框內(nèi)所示。圖1(c)中的黃線代表第二個(gè)蛇形結(jié)構(gòu)。盡管還能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的結(jié)構(gòu)，但是二級(jí)構(gòu)造已經(jīng)能夠滿足這里的應(yīng)用要求。圖2是自相似蛇形互聯(lián)結(jié)構(gòu)彎曲特性的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬研究。在不同拉伸應(yīng)變(ε)下，對(duì)稱(左欄)和反對(duì)稱(中間欄)變形模式的光學(xué)圖像和相應(yīng)的有限元分析(FEA）。FEA結(jié)果中的顏色代表金屬層的最大主應(yīng)變。比例尺為2 mm。右欄是釋放所施應(yīng)力之后的內(nèi)部互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖2 自相似蛇形互聯(lián)結(jié)構(gòu)彎曲特性的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬研究

2.電池的電化學(xué)性能和機(jī)械特性

經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)正極圓盤(pán)的直徑為2.20 mm，負(fù)極圓盤(pán)的直徑為1.58 mm，錯(cuò)位距離為0.51 mm時(shí)，電池具有最佳的電性能。在這種配置下，當(dāng)電池未發(fā)生變形時(shí)，正極占總覆蓋區(qū)的33%，負(fù)極占17%，整個(gè)電池占50%。互聯(lián)線的厚度為600 nm，寬度為50 mm。在這些參數(shù)下，相鄰盤(pán)之間的電阻為24 W，連接線和最遠(yuǎn)的盤(pán)之間的電阻為45 W。用于外部連接的線非常細(xì)，可以避免接口處的拉力，并使其能容易地與連接到外部的柔性線纜（不具備伸縮性）連接。膠體電解質(zhì)既具有粘性液體的流動(dòng)性又具有固體的粘結(jié)性，因此它在保持離子導(dǎo)電路徑的同時(shí)能承受較大的張力。圖3是電池電極在沒(méi)有單軸向應(yīng)變時(shí)的電化學(xué)性能和在300%單軸向應(yīng)變時(shí)的電化學(xué)性能。

圖3 電池的電化學(xué)性能和機(jī)械特性

3.電池的可拉伸無(wú)線充電系統(tǒng)

在許多實(shí)際應(yīng)用中，如植入裝置中，如果能通過(guò)無(wú)線方式來(lái)給電池充電，那么其價(jià)值與意義將非同凡響。圖4是無(wú)線充電可拉伸系統(tǒng)示意圖。次級(jí)線圈將電磁通量與初級(jí)線圈連接起來(lái)，再通過(guò)肖特基二極管整流。并聯(lián)的電容器可使輸出電壓變得平穩(wěn)，其尺寸和厚度都非常小，使其非常容易地集成到整個(gè)系統(tǒng)中。在線圈和整流器中間再添加一個(gè)2.3 kΩ的串聯(lián)電阻，其功能就如同給次級(jí)線圈增加一個(gè)并聯(lián)電阻，它可以對(duì)電池進(jìn)行分流。蛇形次級(jí)線圈的電阻為1.92 kΩ/m。如果要提高充電系統(tǒng)的效率，那么可通過(guò)增加線圈的寬度和厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是必然會(huì)犧牲一定的拉伸性能，并增加折斷系數(shù)。因此，可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定線圈的寬度和厚度。在本無(wú)線充電系統(tǒng)中，初級(jí)線圈的輸出功率為187 mW，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的工作距離為1 mm，次級(jí)線圈得到的功率為9.2 mW，效率相當(dāng)于4.9%。如果將次級(jí)線圈的厚度增加到7 mm，那么效率可從4.9%增加到17.2%。

圖4 無(wú)線可拉伸充電系統(tǒng)的示意圖