研究人员开发柔性可拉伸充电电池

JAMES H. PIKUL, UNIVERSITY OF WISCONSIN–MADISON

可拉伸电池在电子行业的发展势头越来越猛，有一天它可能会成为健身追踪器、可穿戴电子产品甚至智能服装的储能介质。

研究人员认为，随着电子设备的应用越来越贴近人类皮肤，这一概念在未来十年将变得更有价值。威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授James Pikul说：“对于许多应用，如可穿戴设备，其拉伸性是必要的，因为我们的皮肤在运动时会拉伸。只会弯曲的电池佩戴起来会感到不舒服。”

Pikul和世界各地的其他人现在正在研究可伸缩的电池。新型电池与常见的“柔性电池”的不同之处在于，它们能承受轴向张力，即物体上的纵向力，包括张力和压缩力，并且在施加这种力时会弹性拉伸（https://trenchlesspedia.com/definition/3505/axial-tension-force）。本质上，可拉伸电池的行为就像一条橡皮筋，而柔性电池更像一张纸，可以弯曲但不能拉伸。

最近人们对可拉伸电池的兴趣源于越来越多地使用无动力可穿戴贴片来监测血液甚至汗液。例如，佳得乐现在推出一种名为Gx Sweat Patch的皮肤贴片（https://www.gatorade.com/equipment/gx-sweat-patch/gx-sweat-patch），它有助于追踪个人水合作用。其他公司提供可穿戴医疗贴片，其中许多将受益于电源的集成。法国圣埃蒂安国立高等矿业学校柔性电子系教授Thierry Djenizian说：“我们看到微电子技术被广泛使用。这些电子产品需要电力。一个解决方案是开发完全隐形的微型电池。”

Djenizian是一个小组的成员，该小组于2月在《先进材料技术》杂志上发表了一篇关于可拉伸锂离子线电池的论文（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.202302117）。这种金属丝电池直径1.4毫米，长度超过20厘米，使用扭曲的铜织物作为集电器。它是使用传统的电池化学物质制造的，如锂钴氧化物（LCO）和锂镍钴铝（NCA，在特斯拉汽车中流行了一段时间，https://insideevs.com/news/587455/batteries-tesla-using-electric-cars/）。研究人员报告称，他们的电池可以拉伸高达22%，可用于生物医学贴片、健康追踪器、智能纺织品和手表等应用。Djenizian说，电池的吸引力很大一部分是简单的舒适性 —— 例如你在做瑜伽伸展运动时，你的衬衫自然会向后拉扯。如果这是你的电池不可伸展，你会感觉到不舒服的。

同样，Pikul也是一个小组的成员，该小组于3月在《高级功能材料》杂志上发表了一篇关于可拉伸金属空气电池的论文（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202314783）。新的金属空气电池解决了电池寿命的一个简单事实——硬金属可以制成良好的阳极和阴极，但它们不会拉伸。解决这一困境的方法是采用一种结构，允许电池的金属电极在外壳和电解质之间自由滑动，两者都会拉伸。

结果是，电池的活性部分——阳极和阴极——不需要拉伸。本质上，它们在电解质表面滑动。电解质是由水凝胶制成的（https://spectrum.ieee.org/hydrogel），这种物质大致相当于软性隐形眼镜。Pikul解释道：“阳极和阴极只是在进行拉伸的其他部件上滑动。” 金属丝电池使用金属阳极（通常是锌）和负载铂的碳布作为“空气”阴极。这种电池是不可充电的，其应用包括医疗贴片和助听器。

研究人员还正在开发为安全起见而设计的可拉伸电池，甚至可以用于金属丝电池与出汗用户的潮湿皮肤接触的应用。在2月份发表在Small杂志上的一篇论文中（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202311012），作者Zhao Wang和Jian Zhu表示，这种电池的关键是使用水性电解质的可拉伸锌离子化学。他们表示，这种电池比使用“固有易燃”有机电解质的锂离子电池更安全。Zhu在一封电子邮件中写道：“含有水性电解质的可拉伸电池可以在变形过程中为我们提供绝对的安全性和可靠的电力。”

作者描述了许多锌离子化学，主要涉及锌阳极和氧化锰阴极或银阴极。可拉伸锌离子的能量容量范围从每克几毫安时到高达每克300毫安时。Zhu说：“与传统的锂离子电池相比，可拉伸锌离子电池的能量密度较低，但它们可以驱动大多数功耗模块，”包括传感器、晶体管和显示器。他说，经过精心设计，电池可以拉伸900%以上。

与手机电池不同，手机电池消耗了整个产品的大部分体积和重量，新型可拉伸电池预计几乎是隐形的。大多数直径不到两毫米，重量只有几克。

此外，任何薄的可拉伸电池的耐用性似乎都不是问题。研究人员表示，他们的可伸缩电池遭到了严重的打击，没有发生任何意外。Pikul说：“我们对电池进行拉伸和扭曲，用锤子击打它，但我们仍然证明了，在所有这些变形下，它可以持续为伺服电机供电。”

电池专家认为，可拉伸的概念是可行的，很可能会找到市场。“是的，原则上，只要有合适的阳极，就可以制造出可拉伸的电池，”麻省理工学院退休材料科学教授、旨在发现新电池的非营利研究机构Sadoway Labs Foundation的创始人Donald Sadoway如此表示，“但也许需要的是柔性，而不一定是可拉伸的。”Sadoway补充道。他在20世纪90年代制造了一种可拉伸手表电池，但发现现在上市还为时过早。

今天的研究人员都不知道新型电池何时上市，但他们预计对该电池的需求会增长。Pikul说：“在过去的十年里，可拉伸电子技术取得了所有这些进步，现在有很多新的应用。因此，有必要为这些可拉伸设备供电，合理的解决方案即使用可拉伸电池。”