柔性电子电池应用场合国际关注！上海科学家研发“柔性”电池，在-30℃“冻”一个月，仍可供电！|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

国际关注！上海科学家研发“柔性”电池，在-30℃“冻”一个月，仍可供电！

无论是真实世界与虚拟世界的交互，还是智能医疗中更加仿生的机器人，越来越多的领域都需要柔性可穿戴技术的支持。而随着柔性可穿戴设备的快速发展，人们对高效的可充电电池也有了更强烈的需求。水凝胶电解质基锌离子电池因其高安全性、机械柔韧性和电极与电解质界面稳定性而成为柔性可穿戴设备的研究热点之一。近期，东华大学 科研团队在这一领域取得了一项新的进展，相关成果发表于国际知名期刊Advanced Materials 。

虽然有着诸多优点，但传统的水凝胶电解质在低温环境下离子电导率会大幅下降，甚至被冻结，这严重限制了柔性锌离子电池的实际应用价值，并容易引发安全问题。迄今为止，抑制水凝胶冻结主要有两种策略：使用有机添加剂或高浓度盐。添加剂会导致电池的离子电导率降低；高浓度盐则存在价格昂贵，电极浸润性差，低温盐析现象严重等问题。此外，将醇分子接枝到聚合物链上也可用于水凝胶防冻，但其制备工艺较为繁琐复杂。因此，探索一种低浓度的盐使水凝胶电解质在低温下具有可调的力学性能和高的离子电导率具有十分重要的意义。

水凝胶电解质的离子电导率和抗冻性能

基于以上问题，东华大学武培怡教授课题组受Hofmeister效应调控水凝胶电解质力学性能的启发，设计了一种由羧甲基壳聚糖(CMCS)和聚丙烯酰胺(PAM)组成的双网络水凝胶(CSAM)，并以其为例验证了不同阴离子的锌盐对凝胶电解质力学及抗冻性能的影响。这项工作不仅为开发耐低温电解质提供了一种简单而普遍的策略，也为通过Hofmeister效应合理调节chaotropic型水凝胶的力学柔韧性提供了研究基础。

CSAM-C水凝胶电解质在25℃和-30℃下的电化学性能

研究团队通过聚合法和浸泡法制备了CSAM-C水凝胶电解质。实验结果表明，CSAM-C水凝胶在25 ℃和-30 ℃下都能同时表现出良好的机械强度、优良的柔韧性和高离子电导率 。在25 ℃下，由CSAM-C水凝胶电解质基对称电池在3 mA cm-2下可稳定循环超过500小时 。即使在-30 ℃，CSAM-C电解质基对称电池在0.5 mA cm-2和1 mA cm-2下仍然可以分别保持1200小时和1000小时以上的稳定 。通过场发射扫描电子显微镜（SEM）、激光共聚焦显微镜(CLMS) 和光学显微镜证实了CSAM-C的锌表面无任何腐蚀痕迹 。

CSAM-C水凝胶电解质基Zn/PANI电池在-30℃的实际应用

同时，该电池在25 ℃和-30 ℃展现出了较高的倍率性能。CSAM-C水凝胶电解质组装的柔性Zn/PANI全电池可在25℃和-30 ℃为电子设备供电。即使在-30℃下储存一个月，柔性电池仍可供电 。在-30 ℃下，柔性电池可从0°弯曲到150°，容量几乎没有变化 。柔性电池在5 A g-1的电流密度下仍能稳定运行2500次以上，比容量为64 mA h g-1。通过以上测试可证实CSAM-C水凝胶电解质基柔性Zn/PANI电池在低温下具有出色的适用性和循环稳定性 。

近期，相关研究成果以“Anti-freezing hydrogel electrolyte with ternary hydrogen bonding for high performance zinc-ion batteries”为题，发表在Advanced Materials上。论文第一作者是东华大学化学化工与生物工程学院硕士生黄思文，武培怡教授和焦玉聪研究员为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金的资助与支持。

武培怡教授（左）和焦玉聪研究员（右）

此前，东华大学武培怡课题组焦玉聪研究员就已在优化电解质结构抑制锌枝晶生长及实现电池低温抗冻领域开展了一系列工作，包括：通过水凝胶电解质中官能团调控锌沉积的晶面取向的策略，成功诱导Zn2+均匀生长为无枝晶结构，为锌离子的高效迁移构筑通道，同时有效抑制了循环过程中的副反应；将低成本的二甲基亚砜（DMSO）添加到电解液中实现对Zn2+溶剂化结构和体系氢键的调控，改善了电化学过程中锌离子的成核行为。同时，DMSO通过调节水的氢键降低了电解液的冰点，使锌离子电池在宽温度范围内均表现出优异的性能；利用可生物降解的再生纤维素制备具有界面自适应粘塑性凝胶电解质（MorphGE），形成电解质与电极界面的“互锁结构”，并通过调控锌离子的溶剂化结构，引导锌的同质外延均匀沉积，使其以(002)晶面生长。以上成果先后发表于Adv. Sci、Small、Nano Res等国际知名期刊 。

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本文素材来源：东华大学官网、高分子科技、高分子凝胶与网络、MEMS

“续航长、适折叠、抗破坏、耐高温”柔性电池：全柔性智能时代的黑马

近日，科技圈一条关于京东方将量产柔性屏的新闻几乎霸屏，热点称京东方宣布国内第一条柔性OLED面板生产线将在成都量产，且于当日向华为、小米、OPPO、vivo、惠普、华硕等十余家客户交付了AMOLED柔性屏。

最新涌现的壁纸式OLED（有机发光二极管）显示板，将让硬邦邦的玻璃屏幕说再见，并开启柔性显示技术新时代。柔性屏的跨越式发展，技术的飞速推进，是否能像用户所期待的：新一代可折叠柔性智能手机及智能穿戴产品就已经全面来临了呢？其实，一项技术的突破并不能代表整体突破，新产品的上市需经历多方的反复试验，只有各方面技术性能趋于成熟，才能达到量产上市。

柔性智能穿戴设备及柔性智能手机同属于电子产品，那么能正常为用户提供服务则是最基本的要求。电源作为柔性电子产品的核心部件，电池的选择直接影响着柔性电子产品的设计与功能。故而，柔性电池成为了新一代柔性产品最基本也是最核心的需求。

下面，就一起走进新一代柔性电源的全新世界。

超薄锌聚合电池：续航长、耐弯曲、可充电

美国加利福尼亚的一家创业公司正在开发一种柔性可充电电池。此款电池可在常用工业丝网印刷机上进行廉价印刷。这个名为Imprint Energy的公司已在腕戴式设备上测试超薄锌聚合电池，希望能将这种电池应用在可佩戴电子产品、智能手机、医疗产品、智能标签和环境传感器等新型电子产业。

超薄锌聚合电池在保证人体应用安全的同时，以小尺寸和柔性等特点，替换笨重锂基电池不可能达到的设计要求。甚至在小格式中，这种电池也能为小功率无线通信传感器提供足够的电流，并将其与其他类型的薄电池区分开。

大多数笔记本 电脑和智能手机使用的电池都包含金属锂，由于其高度反应性，必须通过增加尺寸和体积的方法来进行保护。

虽然金属锌的稳定性更高，但传统锌电池中的水基电解质导致锌形成树枝晶、分枝状结构，可从一个电极发展到另一个电极，造成短路。

超薄锌聚合电池基于该公司联合创始人克莉丝汀·何（Christine Ho）开发了一种固体聚合物电解质，可避免此问题，并且还提高了稳定性，充电容量更大。

该公司的联合创始人及总裁布鲁克斯·金凯（Brooks Kincaid）表示：这种电池结合了薄膜锂电池和印刷电池的最佳特性。使用金属锌可为公司提供生产优势。由于金属锌的环境稳定性，可以为公司省去制作对氧敏感的锂电池必需的防护设备。

“当谈论到限制新产品开发方面的事情时，这些天有两件事最让我头疼，一是电池，二是产品展示”新器件集团副总裁说：“现有电池不到1000弯曲循环就出现灾难性故障，而超薄锌聚合电池却能保持稳定。”

最近，该公司开始研究由美国军方资助的一个项目，为监测士兵健康状况的传感器开发电池。其他潜在应用包括为跟踪食品和包装的传感器智能标签供电等。

固态锂陶瓷电池（LCB）：耐高温、受死折、抗破坏

有别于一般锂电池使用液态/胶态的电解液，LCB采用的是锂陶瓷(Lithium-Ceramic) 的固态电解质，所以不用再考虑漏液问题。即使被死折、撞击、穿刺、或火烧所破坏，LCB也不会起火、燃烧、或爆炸。

一般来说，所有可充电锂电池都会有保护电路，用以限制电压并预防过充造成电池爆炸及过放造成电池不可逆的永久坏损。但LCB在没有保护电路的防卫下，过充却依然安全，并可继续工作。

来自台湾的辉能科技公司主攻产品是柔性全固态电池。主要以下3种类型的LCB电池为生产方向：1、采用软性电路板FPC为基材的LCB，被称为：软板锂陶瓷电池（FLCB），是全球唯一可以持续自由弯曲的锂电池芯，厚度仅0.38mm；2、软包锂陶瓷电池（PLCB）是采用铝箔袋包装的LCB。3、采用锂金属为负极材的LCB，则是：高能量锂陶瓷电池（ELCB ），体积能量密度高达810Wh/L，目前尚在研发阶段。

作为辉能唯一量产的可弯软式锂陶瓷电池将是智慧装置的下一明星。辉能科技花费8年时间，研发出固态锂陶瓷技术，搭配动态弯曲技能，已经成为全球唯一可弯曲软式锂陶瓷电池量产厂商。苹果曾主动洽谈合作，因为这种电池不必担心剪、戳、敲等主动性危险动作、导致电池起火燃烧，而且超薄仅仅0.38mm，更可以动态弯曲，下一步辉能科技将打造建立全球第一个卷对卷生产模式。

柔性钙钛矿太阳能电池：柔性、质轻、光伏率高

近期，中科院化学所宋延林研究员课题组和南昌大学陈义旺教授等合作，通过一种纳米组装-印刷的方式，大幅提高了柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和力学稳定性，使大尺寸柔性钙钛矿太阳能电池应用于可穿戴设备变得更加可行，也为研发新一代可穿戴电子设备提供了新的思路和方法。

与传统电源相比，金属钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、性能稳定、具备优异的耐弯折性能，是柔性可穿戴器件的重要突破，有望成为可穿戴电子设备理想的电源。但是，柔性器件的光电转换效率大面积重现性低，弯折力学稳定性差，限制了钙钛矿太阳能电池的广泛应用。

然而解决易脆钙钛矿材料与柔性器件力学稳定性之间的矛盾，成为提高柔性钙钛矿太阳能电池性能的关键。近日，中科院化学所课题组的研究人员创造性地通过纳米组装-印刷方式，制备出蜂巢状的微纳米支架，并作为力学缓冲层和光学谐振腔，大幅提高了柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和力学稳定性。

目前的主流平面钙钛矿太阳能电池结构，窗口界面层会消耗相当部分的入射光，不利于钙钛矿层的光吸收。相比平面型结构，蜂巢状纳米支架的引入，提高了钙钛矿层在基底的附着。

蜂巢状纳米支架与钙钛矿层相互填充，可以充当光学谐振腔，对器件的光路进行调节，显著提高入射光利用率，降低光的反射。研究发现，该光学谐振腔可以将光富集有效提高27%。

当器件处于弯折状态时，蜂巢状纳米支架能有效释放钙钛矿晶界处的应力，从而提高钙钛矿层的力学稳定性。通过引入蜂巢状纳米支架，能将一平方厘米的柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达12.32%。

同时，这种纳米组装-印刷的方法，是纳米绿色印刷技术在先进制造领域的新突破，对印刷制造大尺寸高性能柔性可穿戴钙钛矿太阳能电池具有重要意义。

全柔性新时代已来：柔性OLED+柔型电池+柔性芯片+柔性电路

从市场的角度而言，其实每天都有许多的新技术、新产品被开发，但是最终这些产品和技术能否量产并在市场上占据一定份额，还要综合考虑其成本、批量生产、用户热度、资金投入等相关问题。

目前，柔性电源产业发展旺盛，前景喜人。但离最终量产并且占据市场份额还要经历很多的坎坷。单从技术角度出发，柔性电池领域一定要配合相关产业的发展方向，相互协调，加强沟通，互相关联才能真正的将产业做大做强。

如今，可弯曲的OLED 屏幕取得里程碑式的进展，技术方面将不断成熟，已被市场认可，可弯曲化成为屏幕发展的必然趋势。其次，在可弯曲的玻璃面板领域：康宁以可弯曲的玻璃盖板打开局面。同时IBM 已经将柔性纳米级电路研制成功。外加柔性电源领域的技术不断成熟，性能不断稳定、产品不断完善，各产业相互配合，新型柔性电子设备即将不再是科幻电影中的产物，一个全柔性产业链即将形成，全柔性新时代已经到来。（手机报 / 李楠）