研发柔性电池，为可穿戴设备保驾护航

模仿自然功能的可伸缩电池材料，该研究领域当前的发展非常有趣，对于下一代可穿戴电子设备来说是必不可少的。UNIST最近的一项研究提出了一种生物发酵的Jabuticaba混合碳／聚合物（HCP）复合材料，该复合材料使用简单且经济高效的溶解工艺开发出了可拉伸的集流体。研究小组首次将HCP复合材料用作可拉伸集电器，开发了一种基于水性电解质的高度可拉伸的可充电锂离子电池（ARLB）。

UNIST能源与化学工程学院的Soojin Park教授与Kwedong Seo教授和So Youn Kim教授共同领导了这一突破。可伸缩的电子设备由于其极大的灵活性而引起了科学界对下一代设备的极大关注。柔性电子产品的商业利润和需求日益增长，促使人们在材料的变形过程中寻求具有高力学耐用性和高导电性的高度可拉伸电极。尽管已经提出了许多用于这些电极的方法，但是它们都无法同时实现电极的高拉伸性并具有可扩展性的制造工艺。

Park教授使用导电聚合物复合材料解决了这些问题，导电聚合物复合材料由简单溶解过程中所含有碳纳米管和炭黑的Jabuticaba类混合碳填料所组成。这种结构的形状类似巴西grapetree Jabuticaba树。该研究小组发现，即便是在高应变率下，HCP复合材料也能有效地保持其电导率，即表示其适用于高度拉伸的水性锂离子电池。Seo教授负责制造可拉伸集电器，他说：“我们的研究结果将增大具有电化学和力学性能的可拉伸纳米复合材料数量，并且可将其用于各种应用中。”

导电填料在复合材料内的渗透行为详细分析，可使用拉伸下的原位SAXS测量来完成，其揭示了填料中不同类型的碳会形成高度互连的共支撑网络。So Youn Kim 教授领导了原位SAXS实验。SAXS是测量聚合物基质中纳米填料行为的非常有用的技术。此外，该研究小组首次开发了可拉伸的ARLB作为可拉伸的电源，使用HCP复合材料作为可拉伸的集电器，即使在100％应变下也能向LED提供稳定的电力。So Youn Kim教授说：“这项研究有望优化电化学和力学性能的可拉伸纳米复合材料的设计，并可将其用于装置和可拉伸的电子器件。

据悉，柔性电池的基本结构可以分为一个主干，以及与主干相连的分支组成，这些分枝会围绕着主干进行卷绕，最终形成类似动物脊椎骨的结构，由主干与外电路连接。这样的结构不仅保证了电池具有良好的柔性，还极大的提高柔性电池的能量密度，在采用LiCoO2／石墨作为活性物质时，该结构的电池体积比能量可达242Wh／L。

柔性电池在整个寿命周期内，可能会经历数千次的弯曲和扭转，因此研究人员采用机械结构对该结构的柔性电池在机械载荷下的稳定性进行了评估。即便是在电池弯曲半径达到20mm的情况下，电池仍然能够进行稳定的充放电，容量仅出现了轻微的降低，这表明大部分活性物质在弯曲的过程中都能够保持与集流体的接触，没有出现明显的活性物质脱落。

哥伦比亚大学研究人员的这一设计充分借鉴了动物脊柱的特点，结合锂离子电池的结构特点，通过仿生结构极大的减小了弯曲和扭转等变形对于集流体和活性物质造成的破坏，在保证电池的柔性的同时，还极大的提高了柔性电池的能量密度，提高了实用性，该柔性在未来的可穿戴设备，特别是智能手表等方面有广阔的应用前景。