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“折叠屏”的下一站--锂电池的柔性化
2019年03月11日 发布 分类:行业要闻 点击量:142
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2019MWC(世界移动通信大会)的召开,Huawei发布了折叠屏手机Mate X。据悉,Mate X采用鹰翼式折叠设计,加入华为自研的铰链技术,实现一体化的完美折叠形态,兼具手机和平板两种形态,。闭合后是6.6英寸大屏手机,展开后可变身为8英寸平板。极具科技感的外观设计,出色的硬件配置,华为再一次用走在国际前列的产品证明了其强大实力。

 

1 华为Mate X折叠屏手机(图片来源:华为官网)

但是,目前的折叠屏手机仍然采用的是普通的刚性电池,避开了使用柔性电池的难题。若想推出革命性的全柔性电子器件,必须开发相应的柔性电源植入其中。因此,开发具有高能量密度的柔性锂离子电池,将对推动可穿戴柔性电子器件的发展产生重要意义。

2018年11月,中科院半导体研究所的沈国震教授和中国人民解放军医院姜凯教授(共同通讯作者)在Advance Functional Materials上发表题为“Device Configurations and Future Prospects of Flexible/Stretchable Lithium-Ion Batteries”的综述文章,回顾锂电池柔性化进展,并展望柔性锂电池的广阔应用前景。

文献总结了不同结构锂电池研究现状及其在可穿戴设备中的潜在应用,并认为设计具有不同形状的柔性锂电池可为柔性电池创新开辟新的道路。如图2所示,材料的形状对其实际应用至关重要,根据柔性锂电池结构,可将其分为柔性平面构形器件(Flexible planar LIBs)、柔性纤维构形器件(Flexible fiber LIBs)、柔性微形器件(Flexible micro-LIBs)以及可拉伸器件(Stretchable LIBs)。例如,一维纤维锂电池可以织成大面积的纺织物,这些纺织物可以和我们的衣料深度结合。目前,科学家正致力于将这种新型织物电荷存储设备集成到可穿戴智能服装中,该服装使用电子纺织品传感器和低功率微处理器来监控人的步态和关节运动。

 

2 文献总结的不同结构锂电池及其在可穿戴设备中的潜在应用(图片来源:Device Configurations and Future Prospects of Flexible/Stretchable Lithium-Ion Batteries)

目前,对于锂电池的柔性化实现的主流技术路线包括柔性集流体设计和可拉伸结构设计。这两方面的创新一直是国际上高水平期刊青睐的研究点。

基于柔性集流体设计的柔性锂离子电池

柔性集流体设计是指通过制备柔性基体取代传统的铜箔和铝箔作为集流体, 并担载粉体活性物质, 来获得可弯折的柔性锂离子电池。因此, 选择合适的柔性集流体尤为重要, 而当前研究较为广泛的柔性集流体主要为碳纳米管、石墨烯和碳布等。其中,碳纳米管作为典型的导电碳材料,具有多孔网状结构,良好的机械和化学性能,而单层完美石墨烯2630m2/g的超大比表面积,可提供更多的电化学反应活性位点,并可通过化学剥离的方式制得,便于实现大规模生产。

早在2014年10月,中国科学院沈阳自动化研究所采用自主研发的喷墨打印工艺和设备,成功制造出了柔性锂离子电池。该电池具有优秀的循环性能,能够实现一体化成型,有助于实现电池模块的低成本量产。该工艺是在厚度15um-50um的柔性石墨烯纸上,采用平均粒径100nm、浓度15%,具有良好分散性和喷印适配性能的钛酸锂油墨进行多层喷印实现的。

基于可拉伸结构设计的柔性锂离子电池

柔性集流体设计设计新材料新工艺等诸多方面的问题。但是,基于可拉伸结构设计的柔性锂离子电池却不同,“结构上”可拉伸的锂电池是为传统刚性装置创造的特别设计。锂电池装置本身是不可拉伸,其可拉伸性是通过机械结构的设计实现。

2018年2月,哥伦比亚大学杨远教授团队在著名期刊Advanced Materials发表题为Bioinspired,Spine-Like,Flexible,Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density。该文章受动物脊柱拥有良好机械强度和柔性的启示,报道了一种可大规模制备高能量密度柔性锂离子电池的方法:通过将厚的、刚性部分沿轴向环绕起来(对应脊椎)以此储存能量,而薄的、不环绕的柔性部分(对应骨髓和椎间盘)用于连接“脊椎”,从而实现了整个器件的良好柔性和高能量密度。由于刚性电极部分的体积远大于柔性连接部分,占据电芯体积的90%以上,其整体电池的能量密度可达242Wh/L。

 

3 (a)仿生设计示意图;(b)电池装配过程

(图片来源:Bioinspired,Spine-Like,Flexible,Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density)

事实上,不仅科学家们在实验室中对锂电池的柔性化不断进行着探索,实现着他们的奇思妙想,锂电池的柔性化还受到了产业资本的关注。

2017年1月,松下在CES2017展会上展出他们的最新柔性电池研究成果,该柔性电池可以承受一定的弯曲和扭曲,满足日本JIS标准(JISX6305-1),相当于可以满足弯曲半径R40mm,扭曲角度±15°/85.6mm,电池厚度仅为0.55mm,主要应用领域是卡片式设备或者穿戴设备。

该电池最引人注目的特点是在弯曲到25mm半径和扭曲25度之后还能保持其性能。据悉,松下为该柔性电池技术申请了25项日本专利和15项海外专利。其柔性电池外观和主要参数如图所示。


Product NameFlexible Lithium-ion Battery
零件号CG-062939CG-063555CG-064065
尺寸(不含极耳)28.5mm*39.0mm35.0mm*55.0mm40.0mm*65.0mm
重量Approx 0.7gApprox 1.4gApprox 1.9g
厚度0.55mm
标称容量17.5mAh40mAh60mAh
标称电压3.8V
充电电压4.35V
最大充电电流17.5mA(1C)40mA(1C)60mA(1C)
最大弯曲半径R25mm
最大扭曲角度±25°/100mm


 

4 松下柔性锂离子电池的主要参数及其外观(图片来源:网络)

除此之外,近日国内A股市场柔性电子概念股同样风起云涌。

3月8日,受到“瑞典Linkoping大学研究出一款超级电池Power Paper,全新柔性可折叠电池材料问世”消息刺激,柔性电子概念股被挖掘。

在沪指大跌136点的背景下,两只柔性电子概念股均表现强势。其中,界龙实业(600836)一字涨停,据悉,界龙实业参股公司江苏恩福赛柔性电子公司由“全球柔性电池之父”张霞昌教授成立,主打产品为薄膜印刷纸电池(纸电池)及其应用和集成服务。同时,长荣股份(300195)一字涨停,其控股子公司天津绿动能源科技有限公司承担了纸电池及相关产品研发、生产、销售,目前纸电池应用领域为RFID射频标签,以及药贴等领域,正在拓展市场。

不过,目前关于瑞典超级电池是否能量产,并获得广泛应用,大众仍表示疑虑。国内A股市场的炒作之风也向来盲目,但不论是从华为Mate X、三星Galaxy Fold的折叠屏手机,松下推出的柔性锂电池,还是近年来,锂电池柔性化不断取得的进展来看,柔性化必然是未来电子设备的发展潮流!

参考文献

Bioinspired,Spine-Like,Flexible,Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density;Guoyu Qian, Bin Zhu, Xiangbiao Liao, Haowei Zhai, Arvind Srinivasan,Nathan Joseph Fritz, Qian Cheng, Mingqiang Ning, Boyu Qie, Yi Li,Songliu Yuan, Jia Zhu, Xi Chen, and Yuan Yang。

Device Configurations and Future Prospects of Flexible/Stretchable Lithium‐Ion Batteries;Di Chen Zheng Lou Kai Jiang Guozhen Shen

By:火宣


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