就柔性电子产业的发展而言，柔性电池是必不可少的部分。目前，显示屏、传感器等很多电子元件已经可以实现灵活弯曲甚至是折叠拉伸，但为其提供电源的电池却仍停留在刚性的设计阶段。
柔性电池的出现可摆脱现有金属箔刚性电池对于产品形状与结构等设计的限制，在与柔性可穿戴电子一体化后，发挥其任意形变的优势。
在大多数文献中，电池柔性主要以材料屈服时的曲率半径（r）作为评判标准。对此，香港理工大学纺织与服装学系教授郑子剑领导的课题组近日在《焦耳》发文给出了建设性评论，着重指出电池应变对于评价柔性的重要性，并首次提出以面积能量密度与曲率半径的比值（Ea/r）作为更好的评价柔性电池的性能因数。
锂电池的柔性看这个指标
目前常用的锂离子电池不能弯折，这是因为电池内的层状金属箔电极弯折后容易断裂。然而，要给柔性电子织物、可穿戴设备等供电，锂离子电池必须具有一定柔性。
郑子剑告诉《中国科学报》，他发现以常用的曲率半径评价柔性容易导致误解，因为材料弯折时的屈服不仅与曲率半径有关，还与材料的厚度（h）有关。即便同样的材料，更厚的箔片屈服时的曲率半径也要比薄一些的箔片大。
如采用材料外层拉伸应变（ε=h/2r）作为评判依据，就可以引入厚度，使评价更为公允。而且，郑子剑认为，电池的柔性与电池结构相关，电池结构又决定了电池的能量密度。
“以往的文献把能量密度跟柔性分开独立比较，这是不公平的。”郑子剑说，“高能量密度曲率半径大的柔性电池的性能不一定比低能量密度曲率半径小（柔性更好）的差，反之亦然。”
有些研究中为了增加柔性而选择用碳基材料替代金属箔，或将金属箔制成镂空的网状，虽然柔性增加了，但是体积能量密度却降低了。于是，郑子剑将ε与体积能量密度相乘，得到1/2（Ea/r）。
“这个面积能量密度Ea和r都是论文里可以得到的数据，而且没有太多计算上的‘水分’，误导性低。”郑子剑说，“再者，对于体积能量密度的计算，因为大家用的标准不一样，差别可以是十倍以至上百倍。而Ea和r是不变的。”
因此，郑子剑在论文中提出将Ea/r用来作柔性电池的性能因数。一般某个研究领域会用一个数字指标作为性能因数，用于性能的比较和讨论，但柔性电池领域此前尚没有性能因数。
“性能因数更多是一个研究领域内的学术标准，但又可以与商用的电池做直接比较，因此非常有意义。”郑子剑说。
未来碳基柔性电池会取代金属箔
那么，应用此次提出的性能因数，目前哪类柔性电池性能更突出？
“虽然我们并没有特意去讨论哪种会更好，但我们发现，相对于金属网或碳基纸张类柔性电池材料，碳基织物类柔性电池柔性更好，用其三维结构的基材做集流体组装电池，可以得到更高的性能因数。”郑子剑说，“我们觉得，未来柔性电池会慢慢改变目前基于金属箔作为集流体制备的现状。”
根据印制电路协会（IPC）的标准，柔性电子设备应能够承受至少5%的应变。
文章第一作者、南方科技大学前沿与交叉科学研究院研究助理教授常建告诉《中国科学报》，单从能量密度和应变两个关键参数来看，目前学术界开发的部分柔性电池已经达到350瓦时/升和5%，符合柔性和可穿戴电子设备的匹配需求。
但是一般来说，金属材料的屈服应变都是小于1%的，所以5%的应变对于金属箔就会造成疲劳。
“金属箔很薄，这是过去整个电池行业几十年努力的成果，把体积做到了极致。目前碳材料还是厚，导致无效的体积大，未来应该会逐步改善。”郑子剑说。
文章第二作者、香港理工大学纺织与服装学系博士后黄琪瑶告诉《中国科学报》，目前郑子剑课题组关于柔性电池的研究主要集中于柔性集流体的开发与高能量密度柔性电池的研究。他们基于首创专利技术聚合物辅助金属沉积（PAMD）研发了一系列兼具高导电性与柔性的导电织物，通过替换传统金属箔作为电池的集流体，与高性能活性材料结合构筑三维的柔性织物复合电极，以制备柔性可穿戴电池器件。此类织物电池柔软度极佳，可折叠弯曲至半径小于1毫米，即使折叠超过1000次，其效能仍然保持不变。
“但目前商业化的碳基织物仍比较厚，导致现有的织物柔性电池体积能量密度不理想。”黄琪瑶说，“随着未来纺织业技术的发展，超薄碳织物的规模化生产势必会带来织物电池能量密度的大幅度提升。”
柔性电池在多重场景下未来可期
黄琪瑶相信，柔性电池未来在可穿戴电子、生物传感器、人体皮肤、软体机器人等方面均有广阔的应用前景，既可以提供与常规电池类似的储能供电功能，又可以满足未来柔性电子设备对柔性、设计灵活性及可穿戴舒适性方面的需求。
同时，柔性电池与其他的热点技术，如物联网、5G，均可以结合。作为储能器件，柔性电池还可以作为电子设备的电源，其柔性、可弯折性能可以充分利用设备里的有效空间，有利于提升电子产品的电池总体容量，也是提高电子设备续航能力的重要发展途径。
但是，柔性电池目前还处于研究—小试阶段，市面上虽有一些柔性电池的样品展示，但还没有进入大批量生产、产品应用的阶段。
郑子剑指出，柔性电池目前还是新的研究领域，仍有很多问题亟须解决，包括如何在保持电池柔软性的同时，提高柔性电池的能量密度与容量、循环稳定性及安全性。柔性电池在外加作用力下产生的应变往往会超出电池各个部件的屈服应变，进而导致电池结构被破坏和稳定性变差。
要解决这些瓶颈问题，需要设计改变电池内部结构，同时也需要研发一些新型活性材料、隔膜、电解液以及电池的封装材料等。
郑子剑认为，推广柔性电池及柔性电子具有重要意义。基于电子设备对于电池的需求，柔性电池技术的推广与柔性显示屏、生物传感器以及柔性电路等技术配合，有利于开发出更多柔性电子设备，应用于医疗健康监测、智能纺织品、智能手机、全球定位系统追踪、物联网、人机交互等多重场景下加以应用。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.05.015
来源：《中国科学报》
扫一扫关注微信
