[技術(shù)前沿]可拉伸電池在電子行業(yè)的開展勢頭越來越猛
可拉伸電池在電子行業(yè)的開展勢頭越來越猛，有一天它可能會(huì)成為健身追蹤器、可穿戴電子產(chǎn)品甚至智能服裝的儲(chǔ)能介質(zhì)。
研究人員認(rèn)為，隨著電子設(shè)備的應(yīng)用越來越貼近人類皮膚，這一概念在未來十年將變得更有價(jià)值。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程教授James Pikul說：“對于許多應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備，其拉伸性是必要的，因?yàn)?#32;■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的皮膚在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)拉伸。只會(huì)彎曲的電池佩戴起來會(huì)感到不舒服。”
JAMES H. PIKUL, UNIVERSITY OF WISCONSIN–MADISON
Pikul和世界各地的其他人現(xiàn)在正在研究可伸縮的電池。新型電池與常見的“柔性電池”的不同之處在于，它們能承受軸向張力，即物體上的縱向力，包括張力和壓縮力，并且在施加這種力時(shí)會(huì)彈性拉伸。本質(zhì)上，可拉伸電池的行為就像一條橡皮筋，而柔性電池更像一張紙，可以彎曲但不能拉伸。
貼片適用于拉伸
最近人們對可拉伸電池的興趣源于越來越多地使用無動(dòng)力可穿戴貼片來監(jiān)測血液甚至汗液。例如，佳得樂現(xiàn)在推出一種名為Gx Sweat Patch的皮膚貼片，它有助于追蹤個(gè)人水合作用。其他公司給予可穿戴醫(yī)療貼片，其中許多將受益于電源的集成。法國圣埃蒂安國立高等礦業(yè)學(xué)校柔性電子系教授Thierry Djenizian說：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 看到微電子技術(shù)被廣泛使用。這些電子產(chǎn)品需要電力。一個(gè)解決方案是開發(fā)完全隱形的微型電池?！?/p>
“We stretched the battery, twisted it, hit it with a hammer, and still we showed that it could consistently power a servo motor under all of those deformations.”
—JAMES PIKUL, UNIVERSITY OF WISCONSIN, MADISON
Djenizian是一個(gè)小組的成員，該小組于2月在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于可拉伸鋰離子線電池的論文。這種金屬絲電池直徑1.4毫米，長度超過20厘米，使用扭曲的銅織物作為集電器。它是使用傳統(tǒng)的電池化學(xué)物質(zhì)制造的，如鋰鈷氧化物（LCO）和鋰鎳鈷鋁（NCA，在特斯拉汽車中流行了一段時(shí)間）。研究人員報(bào)告稱，他們的電池可以拉伸高達(dá)22%，可用于生物醫(yī)學(xué)貼片、健康追蹤器、智能紡織品和手表等應(yīng)用。Djenizian說，電池的吸引力很大一部分是簡單的舒適性 —— 例如你在做瑜伽伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，你的襯衫自然會(huì)向后拉扯。如果這是你的電池不可伸展，你會(huì)感覺到不舒服的。
同樣，Pikul也是一個(gè)小組的成員，該小組于3月在《高級(jí)功能材料》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于可拉伸金屬空氣電池的論文。新的金屬空氣電池解決了電池壽命的一個(gè)簡單事實(shí)——硬金屬可以制成良好的陽極和陰極，但它們不會(huì)拉伸。解決這一困境的方法是采用一種結(jié)構(gòu)，允許電池的金屬電極在外殼和電解質(zhì)之間自由滑動(dòng)，兩者都會(huì)拉伸。
結(jié)果是，電池的活性部分——陽極和陰極——不需要拉伸。本質(zhì)上，它們在電解質(zhì)表面滑動(dòng)。電解質(zhì)是由水凝膠制成的，這種物質(zhì)大致相當(dāng)于軟性隱形眼鏡。Pikul解釋道：“陽極和陰極只是在進(jìn)行拉伸的其他部件上滑動(dòng)?！?金屬絲電池使用金屬陽極（通常是鋅）和負(fù)載鉑的碳布作為“空氣”陰極。這種電池是不可充電的，其應(yīng)用包括醫(yī)療貼片和助聽器。
向混合物中添加鋅
研究人員還正在開發(fā)為安全起見而設(shè)計(jì)的可拉伸電池，甚至可以用于金屬絲電池與出汗用戶的潮濕皮膚接觸的應(yīng)用。在2月份發(fā)表在Small雜志上的一篇論文中，作者Zhao Wang和Jian Zhu表示，這種電池的關(guān)鍵是使用水性電解質(zhì)的可拉伸鋅離子化學(xué)。他們表示，這種電池比使用“固有易燃”有機(jī)電解質(zhì)的鋰離子電池更安全。Zhu在一封電子郵件中寫道：“含有水性電解質(zhì)的可拉伸電池可以在變形過程中為 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 給予絕對的安全性和可靠的電力。”
作者描述了許多鋅離子化學(xué)，主要涉及鋅陽極和氧化錳陰極或銀陰極。可拉伸鋅離子的能量容量范圍從每克幾毫安時(shí)到高達(dá)每克300毫安時(shí)。Zhu說：“與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，可拉伸鋅離子電池的能量密度較低，但它們可以驅(qū)動(dòng)大多數(shù)功耗模塊，”包括傳感器、晶體管和顯示器。他說，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，電池可以拉伸900%以上。
與手機(jī)電池不同，手機(jī)電池消耗了整個(gè)產(chǎn)品的大部分體積和重量，新型可拉伸電池預(yù)計(jì)幾乎是隱形的。大多數(shù)直徑不到兩毫米，重量只有幾克。
此外，任何薄的可拉伸電池的耐用性似乎都不是問題。研究人員表示，他們的可伸縮電池遭到了嚴(yán)重的打擊，沒有發(fā)生任何意外。Pikul說：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 對電池進(jìn)行拉伸和扭曲，用錘子擊打它，但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 仍然證明了，在所有這些變形下，它可以持續(xù)為伺服電機(jī)供電?！?/p>
電池專家認(rèn)為，可拉伸的概念是可行的，很可能會(huì)找到市場。“是的，原則上，只要有合適的陽極，就可以制造出可拉伸的電池，”麻省理工學(xué)院退休材料科學(xué)教授、旨在發(fā)現(xiàn)新電池的非營利研究組織Sadoway Labs Foundation的創(chuàng)始人Donald Sadoway如此表示，“但也許需要的是柔性，而不一定是可拉伸的?！盨adoway補(bǔ)充道。他在20世紀(jì)90年代制造了一種可拉伸手表電池，但發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在上市還為時(shí)過早。
今天的研究人員都不知道新型電池何時(shí)上市，但他們預(yù)計(jì)對該電池的需求會(huì)增長。Pikul說：“在過去的十年里，可拉伸電子技術(shù)取得了所有這些進(jìn)步，現(xiàn)在有很多新的應(yīng)用。因此，有必要為這些可拉伸設(shè)備供電，合理的解決方案即使用可拉伸電池?！?/p>
文章來源：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)
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