PAGEPAGE25柔性鋰離子電池與常規(guī)鋰離子電池的對比及發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)分析案例電子產(chǎn)品越來越多地融入我們的日常生活。2014至2019年，可穿戴設(shè)備的銷售年增長率超過了25%，導(dǎo)致2019年的設(shè)備出貨量超過了3億臺。現(xiàn)在可穿戴設(shè)備不斷獲得新的功能，為人們的健康和行為提供更多信息。目前，具有功能傳感器的可穿戴設(shè)備已在市場上出現(xiàn)，包括心電圖，腦電圖，肌電圖，血氧計和溫度計。在實驗室里，可穿戴電子設(shè)備具有更加復(fù)雜的功能，可以用于光基質(zhì)治療、神經(jīng)調(diào)節(jié)、電子皮膚等下一代應(yīng)用。這些可穿戴設(shè)備前沿應(yīng)用的實現(xiàn)有賴于與人體皮膚密切接觸的可貼合和可拉伸電子元件的發(fā)展?？纱┐髟O(shè)備需要可貼合、安全、可伸縮的電源，并且還要易于與設(shè)備集成。由于電池在可穿戴設(shè)備中占有很大的體積，因此傳統(tǒng)剛性電池的僵硬、不安全，以及不適合皮膚應(yīng)用常常限制了可穿戴設(shè)備的整體適應(yīng)性，導(dǎo)致了很多可穿戴電子設(shè)備的商業(yè)實現(xiàn)受到了阻礙。近10年來，柔性或可伸縮電池在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域取得了巨大的發(fā)展。到目前為止，已有許多具有不同化學(xué)性質(zhì)的伸縮和變形電池出現(xiàn)。但是仍有很多工作要做，以使柔性鋰離子電池?fù)碛薪裉焐逃娩囯x子電池一樣的性能和可靠性。1.1柔性鋰離子電池與常規(guī)鋰離子電池的對比表1.1為柔性鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰電對比表1.1為柔性鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰電對比PP：聚丙烯；PTFE：聚四氟乙烯；PVA：聚乙烯醇；SBR：苯乙烯丁二烯橡膠；PE：聚乙烯；PA：聚酰胺；PVC：聚氯乙烯；CMC：羧甲基纖維素；PVDF：聚偏二氟乙烯。一般來說,柔性電極是由功能有機(jī)和無機(jī)復(fù)合材料制成,而且不需要粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑。由于這種無粘結(jié)劑的存在大大簡化了鋰離子電池電極的生產(chǎn)和制備,增加了電池柔性材料電極的導(dǎo)電性能,提高了鋰離子電池在各種應(yīng)用環(huán)境中的適合溫度,可以高達(dá)200℃以上。表1.2柔性鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰離子電池對比柔性鋰離子動力電池的主要工作機(jī)械和原理也與傳統(tǒng)的鋰離子動力電池相同。但兩種電極所需要采用的各種集流體都是不同的,也就是說,兩種電極制備技術(shù)的方法也是存在著本質(zhì)上的差異。傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料制備技術(shù)主要是把電極材料和導(dǎo)電炭及其粘結(jié)劑等混合攪拌均勻并涂覆于金屬聚集物流體中。在這里,導(dǎo)電劑的作用是提高導(dǎo)電性的,其對容量的貢獻(xiàn)很少;而且粘附劑則起著對粘附的作用,它既是電化學(xué)非活性的,而且又是絕緣物質(zhì),因此減少了它的導(dǎo)電性,對于鋰離子能夠直接進(jìn)入電極的材料及增加對電極的磁性產(chǎn)生極化也很不利。另外,采用金屬集料(通常為負(fù)極采用銅箔,正極采用鋁箔),提高了電極的整體質(zhì)量,使其產(chǎn)品的質(zhì)量相對于普通電極的容量得到很大降低。目前的蓄能器和它們的材料中還存在許多阻礙其柔性設(shè)計的問題，首先，電極材料基本上為粉狀材料，需要添加導(dǎo)電劑粘結(jié)劑并涂覆在鋁箔、銅箔等金屬集流體上面，不僅大大降低了蓄能器中活性物質(zhì)的質(zhì)量比例，增加了器件的重量、體積,而且假如稍微發(fā)生變形,活性物就很簡單。蓄能器中發(fā)生脫落,這將會嚴(yán)重地影響蓄能器的固有結(jié)構(gòu)和電極/者電解質(zhì)的轉(zhuǎn)子傳遞特征,致使蓄能器損壞,彎曲時不可恢復(fù)。簡單地說，傳統(tǒng)的鋰離子電池不能作為一種柔性蓄能器，因為這種柔性蓄能器在反復(fù)彎曲、折疊和拉伸的過程中，不可避免地會造成金屬集流體的不可逆變形和金屬集流體表面電極材料的脫落。柔性鋰離子電池需要可彎曲的電極，這種電極材料可以直接生長，也可以加載到可彎曲的碳基上，例如石墨烯、碳納米管、石墨烯、碳布等。它們可直接將其切割成不同形狀的集成電極,用于裝配一種柔性的鋰離子電池。柔性電極的結(jié)構(gòu)不僅簡化了傳統(tǒng)的制備過程，提高了電池性能，滿足了柔性器件的要求。1.2柔性鋰離子電池面臨的挑戰(zhàn)能源密度實驗室內(nèi)所實現(xiàn)的柔性動力電池面積容量及其電壓均低于商業(yè)用電。此外,據(jù)研究工作人員介紹,柔性可伸縮蓄電池的容量和體積主要取決于蓄電池中裝載的活性化學(xué)物質(zhì)的品種和質(zhì)量或體積,而非蓄電池的一個整體，因此可以預(yù)測電池的最終性能。計算能量密度時，電容(Ah)與電壓(V)相乘，就得到了設(shè)備總電容(Wh)與商用電池相比，伸縮式電池通常具有更小的區(qū)域容量，而且許多電池具有更低的電壓ADDINNE.Ref.{FC322261-32BA-4C21-A34F-C02AEE6022F9}[2]。電池組材料雖然電池組材料很重要，但卻是電池組中研究最少的部件之一。可變形電池一般采用高彈性體或PDMS、SEBS等嵌段共聚物封裝ADDINNE.Ref.{5889EF09-CBA9-4CEA-892B-8C0EB760DB86}[3]。但是，這些彈性體的拉伸特性使其在聚合物鏈中能夠具有較大的自由體積,，從而使聚合物鏈的透氣性和可拉性達(dá)到基本平衡。低滲透材料通常具有極高的彈性模量，因而不能適應(yīng)應(yīng)變。規(guī)商業(yè)用電池一般使用二氧化鋁或其它重要的金屬材料,但為使商業(yè)用電池本身具有良好的可伸縮性,柔性商業(yè)用電池外殼和包裝材料普遍需要使用彈性很強(qiáng)的聚合物。但聚合產(chǎn)物均具備較大的自由體積，使得這種包裝材料對水-氧的阻隔性較差。嚴(yán)重影響電池的耐候性能。電池組結(jié)構(gòu)分層對于柔性電池組，在彎曲過程中，通常可以觀察到傳統(tǒng)澆注電極與金屬集流的分層情況ADDINNE.Ref.{5434A4E2-FC9A-485E-87AD-49AE2787A751}[4]。脫層是由于金屬集電器無法承受彎曲過程中產(chǎn)生的小應(yīng)變，導(dǎo)致彎曲、電壓波動和最終脫層所致。這種影響在厚電極上加劇，使許多柔性電池?zé)o法達(dá)到高能量密度。由于層間應(yīng)變是有意的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于器件彎曲時的應(yīng)變，所以對于可拉伸電池，這種效應(yīng)會加劇。拉伸過程中，由于材料層間存在較大的模量不匹配，導(dǎo)致材料層間的分層現(xiàn)象加劇?？缮炜s性柔性電池重復(fù)拉伸過程中，層疊結(jié)構(gòu)問題的出現(xiàn)是不可避免的。要解決這一問題，需要加強(qiáng)柔性電池材料的層間結(jié)合，如分子間的氫鍵。裝置整合實際上，拉長和變形的電力需要整合到更為復(fù)雜的電子裝置中，例如傳感器、發(fā)射裝置、晶體管和振蕩器。纖維型電池已應(yīng)用于很多領(lǐng)域，包括為手表供電以及集成到靈活的有機(jī)太陽能組件中ADDINNE.Ref.{D1FB6B66-324B-44BA-9995-93AA3186688F}[4]。柔性電池最終將與和其他柔性電子元件結(jié)合成柔性電子裝置。目前大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為柔性電池多采用LED進(jìn)行集成，但是在實踐和應(yīng)用中卻需要將各類復(fù)雜傳感器和電子元件都集成。這些都為柔性鋰離子電池存儲和密度的控制提出了更高的技術(shù)要求。量產(chǎn)在2010-2018年間，鋰電池的市場需求增長了5倍。就生產(chǎn)工藝而言，本質(zhì)上可伸縮的電池似乎是最有希望的策略，因為在類似于傳統(tǒng)電池的生產(chǎn)