如图所示为研究人员演示的锂离子电池的电气性能,该电池可拉伸、弯曲、折叠。
相信在未来,智能手表很快就能使用这种运行时间长、可伸缩、可弯曲的电池。
使用日本的折纸折叠技术,研究人员发现他们制备出拉伸和弯曲程度足以形成一个表带的锂离子电池,其中表带中具有足够大的空间来储存能量。发明者说,除了作为智能手表的电池,该工艺可以制备出适合各种各样的其他可穿戴电子产品的电池,如健身乐队的健康跟踪数据。(参见 What Are the Prospects for Flexible Biosensors ? )
亚利桑那州立大学机械和航空航天工程的教授,领导该项研究的 Hanqing Jiang 说:“现在的智能手表电池都位于屏幕背部,使得其他所有电子器件都集中在一个狭小的空间里。电池不仅占用了大部分可用的空间,而且其能量存储能力很小,这都限制了智能手表的发展。现代的手表一般需要运行很长时间,如据说只能持续运行几个小时的新 Apple watch ,这就使得该技术制备的电池具有很大的市场前景。这项新技术可以提高电池储能能量。”
研究人员将他们的可折叠电池用于三星的智能手表,并用橡皮筋演示手表中的电池可以在不影响使用性能的前提下进行弯曲和拉伸。
在过去十年中,研究学者们对具有特定弯曲表面和结构的可伸缩元件进行了探索,并没有出现故障。但是,大多数弹性材料(参见 A Battery That Stretches to Three TimesIts Size )与现有的电池生产设备并不兼容。
Jiang 的灵感来源于他注意到的一个特定的折叠模式,这种折叠模式称为三浦折叠模式。此种折叠模式在纳米硅中有过应用,当硅附着于弹性橡胶材料的表面时即可产生拉伸(参见 Sheets of Stretchable Silicon )。去年,Jiang 和同事们展示了基于三浦折叠原理的可弯曲锂离子电池。但在实际应用中,这种设计是具有一定的局限性。因为电池只能从折叠状态展开为平整状态,这种折叠状态具有凹凸不平的表面,与表带相比还有一定的差距。
为了制备出更兼容的电池结构,公司决定利用剪纸艺术的一个变体——折纸艺术——来削减多余的折叠状态。现在, Jiang 和同事们已经通过将各种材料层压后,来削减横向的折叠程度,进而制备出电池。从旋转拉伸的结果看,材料在弯曲时其厚度保持不变,相比之前的基于折纸的设计有了很大的提高。
为了证明电池在真正的智能手表中的实力,研究人员还测试了多次循环的张紧和拉伸状态下,电池的电化学性能和机械性能。结果表明,拉伸不会引起电池材料的断裂。Jiang 说,该研究的目标是实现此技术的商业化应用,目前研究学者们在通过重新包装来解决电池的某些安全问题。他还说,剪纸艺术技术广泛适用于电池、传感器和超级电容器等各种设备。
新材料在线编译整理——翻译:陈琼 校正:摩天轮
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