劉春娜

儲能器件是便攜式柔性電子產(chǎn)品的核心部件，研究人員能否開發(fā)出高性能柔性儲能器件，如柔性鋰離子電池、柔性太陽電池等各種柔性電池，是柔性電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

1 各科研機(jī)構(gòu)關(guān)于柔性電池的研發(fā)動態(tài)

中國臺灣地區(qū)的輝能科技公司自行研發(fā)設(shè)計的超薄柔性陶瓷鋰電池FLCB(FPC Lithium Ceramtc Battery)采用了FPC軟性電路板和固態(tài)電解質(zhì)，目前已獲得專利。FLCB除了能有效充當(dāng)Pebble智能手表的電池外，還大幅增加了電池存儲容量。一塊182 mm×230 mm×0.4 mm 的FLCB容量為 1000~1400 mAh。該電池可以像紙一樣任意被裁減，但和紙不同的是，在折彎、捶擊、金屬剪裁、刺穿和700~1300℃的高溫噴槍火燒下都不會起火或爆炸。在2014年臺北國際電腦展(Computex)演示中，輝能科技將其超薄柔性鋰電池截成幾段，但它們?nèi)匀荒芙oLED燈供電。這種超薄電池共有3~5層組成，但厚度卻只有1.5 mm，堪稱可穿戴產(chǎn)品的理想元件(包括智能眼鏡、頭戴式顯示裝置、發(fā)光的衣服、發(fā)熱元件、智能手表等)。這種電池屬于固態(tài)，這意味著它們不會像鋰電池那樣容易變性，同時，由于它們屬于不易燃的材料，即便被撕成碎片，也不會起火或爆炸。HTC One Max手機(jī)內(nèi)含電池的“HTC Power Flip Case可翻式電源擴(kuò)展保護(hù)套”用的就是輝能公司的FLCB。保護(hù)套內(nèi)采用了五片F(xiàn)LCB，共提供1150 mAh的電源，并通過接口直接為手機(jī)充電。雖然HTC并沒有把FLCB彎曲的性能放在Power Flip Case上，但其實它雖然五片疊在一起仍可以彎曲。單片的FLCB可以做到動態(tài)彎曲達(dá)15~17 mm、XY軸彎曲可達(dá)五萬次、Z軸彎曲則達(dá)兩萬次，而厚度僅0.32~0.36 mm。由于FLCB主要是把鋰電池正負(fù)極中間的液態(tài)電解液及隔離層，利用固態(tài)陶瓷電解質(zhì)取代，因此可以抵擋更強(qiáng)的沖擊，也不用擔(dān)心因破壞鋰電池而有漏液、爆炸的情況。公司已經(jīng)在生產(chǎn)與表帶類似的兩件套設(shè)計產(chǎn)品，連接表盤兩端，既可以用作表帶也可以提供電力。另外，還有一種可以與現(xiàn)有表帶直接連接的產(chǎn)品，無需再次更換表帶，使用方便。

美國萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新型的超薄、高性能、柔性無鋰電池，其厚度不到1/100英寸(254μm)，卻擁有超級電容器般的優(yōu)良性能，并且能夠在萬次充放電、或者千次彎折之后，仍然保持76%的容量。其質(zhì)量比能量達(dá)384 Wh/kg，比功率達(dá)112 kW/kg，且可以用于智能手表和健身設(shè)備?？茖W(xué)家們在一個900 nm厚的材料層上創(chuàng)建了很多直徑5 nm的洞，這個輔助材料表面增加了更多能源存儲的地方，然后外面用電解液制成的電極封閉。經(jīng)過反復(fù)實驗后發(fā)現(xiàn)，電池可以快速充放電，且當(dāng)放慢充電速度的時候，也可以放慢放電的速度。這種新型電池采用了多孔鎳氟化物薄膜作為電極材料。鎳氟電極外面包覆著固態(tài)電解質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)可形成一個高效的能源存儲裝置(結(jié)合了電池和超級電容的最佳優(yōu)點)。在被聚合物保護(hù)起來之后，這種薄膜儲能裝置甚至能夠在被彎曲1000次以后，仍舊保持電池和超級電容的優(yōu)良特性。

新澤西理工大學(xué)(NJIT)的研究人員與韓國高級科學(xué)技術(shù)研究院、斯坦福大學(xué)以及LG公司合作，研制出柔性碳納米管電池并獲得專利。預(yù)計該技術(shù)可運用到帶柔性顯示屏的電子設(shè)備上，并且可以被制成各種形狀和大小，甚至自己在家都能DIY。每塊電池都由軟塑料襯底制成，上面布滿了碳納米管和“微粒子”。對于堿性電池來說，這些粒子可以是鋅或二氧化錳(或者是鋰電池中的鋰鹽)。其目標(biāo)則是利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，并將它們轉(zhuǎn)換到柔性平臺上。采用該技術(shù)制成的電池，可以被做成任意大小和形狀，從針尖大小的微電池，到像客廳地毯那樣的一大張。甚至還柔軟到可以被卷起來置于后備箱中，并驅(qū)動車子。此外，消費者也有可能DIY自制電池，以迎合特殊的需求。通過一套工具，人們可以將兩張帶電極的塑料封皮和中層隔板粘上，然后用層壓機(jī)整合到一起。

美國加州的Imprint Energy公司正在研發(fā)一種可通過普通工業(yè)顯示屏打印機(jī)制作的柔性超薄鋅聚合物電池，并已經(jīng)開始在腕帶設(shè)備當(dāng)中進(jìn)行測試，希望將該技術(shù)出售給可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、智能標(biāo)簽和環(huán)境傳感器制造商。該公司所制作的電池可被安全應(yīng)用在人體穿戴設(shè)備上，其較小的體形和柔韌性則可以打破產(chǎn)品設(shè)計上的種種限制。雖然體形很小，但這種電池足以為低功耗無線通訊傳感器提供足夠的電流，使其和其他類型的超薄電池有所區(qū)別。大多數(shù)筆記本和智能手機(jī)所使用的電池當(dāng)中都含有鋰，鋰元素性質(zhì)活潑，想要對其進(jìn)行保護(hù)則不可避免地要增加電池尺寸和體積。雖然鋅的穩(wěn)定性更高，但傳統(tǒng)鋅電池中含水的電解液會致使其產(chǎn)生枝晶，從而縮短電池壽命。Imprint Energy研發(fā)出的固態(tài)聚合物電解液，避免了該問題的出現(xiàn)，并帶來了更高的穩(wěn)定性和更大容量。電池結(jié)合了薄膜鋰電池和打印電池的最佳特性。薄膜鋰電池雖然可重復(fù)充電，但由于包含鋰元素，容量受限，且生產(chǎn)成本較高；打印電池一般會使用鋅元素，容量較高，制作成本低廉，但不可充電。鋅元素的使用讓公司具備了生產(chǎn)上的優(yōu)勢。因為鋅的穩(wěn)定性，公司并不需要制作對氧氣敏感的鋰離子電池所需要的防護(hù)裝備。雖然市場對于柔性電池已經(jīng)產(chǎn)生了需求，但柔韌度的測量還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此公司為想要對比兩種電池的客戶搭建了自己的測試裝置，并開始對自家電池和其他已經(jīng)發(fā)布的柔性電池進(jìn)行比較和評分。在1000個彎折循環(huán)之后，其他電池就已經(jīng)徹底損壞，但該公司的電池卻依然能保持穩(wěn)定。該公司最近從鳳凰城創(chuàng)投公司和AME云創(chuàng)投公司獲得了600萬美元的資金，從而進(jìn)一步開發(fā)其擁有專利的化學(xué)產(chǎn)品，并進(jìn)行電池的商業(yè)發(fā)布。前期投資者包括美國中央情報局支持的風(fēng)險投資公司帕琉斯，以及陶氏化學(xué)公司。

英國航空航天系統(tǒng)公司開發(fā)出一款名為“大刀”的采用柔性電池的新型作戰(zhàn)服來解決美國地面部隊巡邏時隨身攜帶裝備過重的問題。多年來，無線電裝置和其他各種電子設(shè)備越來越多地掛滿武裝部隊士兵的防彈衣，從而使其無法輕裝前進(jìn)。該作戰(zhàn)服含有可以導(dǎo)電并且無需借助電纜即可傳輸數(shù)據(jù)的織物，從而可使戰(zhàn)斗部隊減少所攜帶的電池，并且通過把裝備插入作戰(zhàn)服或感應(yīng)式“充電袋”來對裝備進(jìn)行充電。由于這種織物構(gòu)造方面的原因，電力和數(shù)據(jù)的傳輸可以有無數(shù)種方式。美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊都在對這一系統(tǒng)進(jìn)行評估。該作戰(zhàn)服的供電來自背部的一塊柔性電池，每當(dāng)士兵坐到安裝在汽車座位上的“充電板”上時，該電池便能得到充電。雖然該作戰(zhàn)服的導(dǎo)電織物使用的材料沒有透露，但已經(jīng)證明這種作戰(zhàn)服不會讓士兵遭到電擊，而且其內(nèi)部包括一個電力管理系統(tǒng)，可以讓士兵們開啟或關(guān)閉所選裝置的充電過程。該作戰(zhàn)服與現(xiàn)有的無線電設(shè)備兼容，這一特點將會使其較快在部隊中得到列裝。

不列顛哥倫比亞大學(xué)的可穿戴電子產(chǎn)品研究項目最近獲得了加拿大自然科學(xué)與工程技術(shù)研究理事會（NSERC）超過100萬美元新資金。該研究項目主要研發(fā)柔性太陽電池和可穿戴電子產(chǎn)品。研發(fā)團(tuán)隊正設(shè)法將柔性太陽電池和其他電子元件集成到可穿戴電子產(chǎn)品——內(nèi)嵌電子傳感器或太陽能板的紡織品和服裝，包括通過編織嵌入的太陽電池給移動設(shè)備充電的服裝、可折疊式移動設(shè)備，以及內(nèi)嵌傳感器能夠監(jiān)測生命特征并將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)科醫(yī)生的服裝。

LG成功研發(fā)出一款柔性電池，它可以填充設(shè)備當(dāng)中一些多余的空間，并且增加了16%的電池能量密度，能讓智能手機(jī)擁有更好的續(xù)航表現(xiàn)。在未來的一些可穿戴產(chǎn)品上，設(shè)計者可以設(shè)計多樣化的造型，這種電池可以任意彎曲使用，并且具有很好的耐磨性，在使用過程中基本不會發(fā)熱。近兩年來手機(jī)屏幕越來越大、分辨率越來越高，處理器也提升至四核高頻，這些高功耗的操作都對電池提出了更高要求。LG量產(chǎn)成功的這種可彎曲電池能夠填補設(shè)備中空隙的地方，將被應(yīng)用于智能手機(jī)、智能手表以及智能眼鏡等上面。

三星公司展示了一款可彎曲電池。該電池具有極大的柔韌度，即便彎成一個“U”字形仍然能夠正常運作。這項技術(shù)是專為可穿戴式智能設(shè)備而開發(fā)的，意味著下一代的Samsung Gear除了體積和凈重會有大幅降低之外，其外形設(shè)計也可以更接近當(dāng)下的名貴手表。不過，外形雖然可以更有彈性，但是電池容量才是最重要的事，關(guān)注者期望這種電池同時能大大延長便攜穿戴式智能設(shè)備的使用時間。

韓國蔚山國家科學(xué)科技學(xué)院利用納米科技開發(fā)出柔性電池。電池的正極部份用一氧化鎳取代現(xiàn)行的鋰鈷氧化物，能提高20%的充電效能。他們還在表面涂鍍含釩的混合氧化物，電力傳導(dǎo)因此增加兩倍多，鋰離子的活性也提升3倍多。負(fù)極部分，研究人員用膨脹石墨取代天然石墨，導(dǎo)電性提高13倍；且在表層涂鍍10 nm的非晶硅粒子，電池效能可增加60%。另外，電流集電器表面切割為納米蜂巢結(jié)構(gòu)，附著度提高1.7倍，電極材料能承受多次彎折也不會脫落。

芬蘭諾基亞的帶狀柔性電池專利也被曝光。諾基亞這款柔性電池的外形酷似“瑞士卷”，采用帶狀設(shè)計，由一條電池帶組成，后者被拆分成了兩個區(qū)域：陽極和陰極，與中間部分相連。在真空的狀態(tài)下，若干條帶狀電池的連接部分被疊加在一起，形成了一條完整的電池。這種卷曲的電池技術(shù)有可能應(yīng)用于智能手機(jī)、音樂播放器、筆記本電腦或是游戲設(shè)備。不過，雖然這種電池能夠彎曲到比較夸張的程度，但是最終成型的設(shè)備應(yīng)該無法像這樣卷起來。盡管諾基亞在專利中并未提及可穿戴設(shè)備的應(yīng)用，不過這還是讓人們對諾基亞的智能手表有了更多期待。

諾基亞帶狀柔性電池專利曝光

德國弗勞恩霍夫協(xié)會應(yīng)用聚合物研究所成功在柔性玻璃上制作出了有機(jī)薄膜太陽電池。此舉將可消除OPV耐久性低的問題。研究者利用的是康寧公司生產(chǎn)的厚度為100μm的玻璃。這種玻璃制造工藝簡單，不僅超薄且能彎曲，還能承受400℃的工藝溫度。最初試制時采用的是片到片方式，但研究者的目標(biāo)是以卷到卷方式制作，現(xiàn)在已經(jīng)開始開發(fā)相關(guān)技術(shù)。

2 趨勢展望

輕薄化和柔性化是便攜式電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢，可折疊或可彎曲的便攜式柔性電子產(chǎn)品在不遠(yuǎn)的將來有可能極大地影響甚至改變?nèi)祟惖纳罘绞?。隨著科技的發(fā)展，作為柔性電子產(chǎn)品的重要儲能器件，柔性電池的未來也展現(xiàn)出一片光明的前景，其應(yīng)用越來越廣泛，種類也越來越豐富，將給人們的生活帶來更多的期待與改變。