面向可穿戴电子产品的柔性可拉伸锂离子电池

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柔性电子领域又有了新进展！美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授的研究团队，从日本的剪纸艺术中找到了灵感，设计并制备了柔性锂离子电池。今天，知社君带您了解这一新进展。

近日，来自美国亚利桑那州立大学(Arizona State University)的姜汉卿教授的研究团队展示了一款基于剪纸艺术的柔性可拉伸锂离子电池。剪纸艺术运用了对称，全等和旋转等数学原理，将设计好的图案预先画在经过反复折叠的纸上，用剪刀沿着图案裁剪后再将纸展开从而得到更为复杂的图案，例如图片中所示，长方形的纸张先沿着长度方向进行反复对折，折成手风琴形状，然后再沿着画好的图案裁剪后展开铺平，便得到多个对称全等的“岛桥”结构。当“岛桥“结构再通过多次旋转并折叠后，便会得到可拉伸的“cut and twist” 结构。通过折纸和剪纸，原本不可以拉伸的纸可以拉伸，而且拉伸后并不改变原有的厚度，这为开发基于折纸和剪纸的可拉伸电池提供了基础。

除了这种方法，在过去的十年里，科学家们采用了不同的方法来开发柔性电池。例如在2013年，由美国伊利诺伊大学的John Rogers教授和西北大学的黄永刚教授带领的团队研发了一种非常柔软的锂离子电池，能被拉伸至原尺寸的3倍。

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在这个可拉伸电池的设计中，他们采用了新的结构设计使电极之间可拉伸并且使用了弹性聚合物作为封装材料。这些新颖的设计一方面实现了电池的可拉伸，但同时也降低了电池的能量密度和可大规模生产的能力。

在基于折纸和剪纸的设计中，姜汉卿教授的研究团队主要是要寻找能够大规模制造的，而且可以和可穿戴设备相配合的柔性电池。该项目的主要参与者宋泽铭说：“剪纸电池是先将封装材料，电极材料及半透膜剪成相同形状不同大小的图案，然后堆叠在一起进行整体封装，封装后通过旋转和折叠最终成型。剪纸电池的拉伸是依靠连接部分的旋转，离面变形非常小，电池整体在拉伸和收缩的过程中都非常平整，这个特性使得剪纸电池非常适合集成在狭小的空间中，像是表带，腕带里。

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视频中展示了剪纸电池与三星Gear 2相连接，在反复拉伸的过程中，手表播放歌曲或视频都不受任何影响。除此之外，研究者还进行了系统的电化学及机械性能测试，结果表明在经历了很多个拉伸循环后电池并没有任何损坏，而且电化学性能非常稳定。

柔性可拉伸的特性使得这款电池可以很舒适的安放在表带或腕带中间，充分的利用了表带的空间，不仅能提高容量，又节省了智能手表内电池的空间。目前市上的智能手表产品中电池占据了很大的体积。并且因为受到体积的制约，电池的容量也相对较小，只有300mAh左右，这成为了阻碍智能手表发展的绊脚石之一。使用剪纸电池技术可以将电量翻倍，大大增加智能手表的使用时间。更令人兴奋的是，这款电池完全采用传统的锂电池正负极材料，从而对电池的容量，性能和安全性提供了保障。除了能为智能手表提供电量外，研究者表示剪纸电池可以应用于各种需要柔性拉伸的可穿戴电子产品，比如健康手环，柔性手机，心率追踪器等等。

这一结果已经发表在自然科学报道杂志上(点击阅读原文可以获取)。该研究团队希望这项技术可以实现商业化生产和成果转化。目前他们在持续改进电池的设计及性能，逐个解决安全相关的问题。他还表示剪纸技术不仅可以应用于电池，还可以应用到其他柔性电子设备的设计中，比如柔性传感器和柔性超级电容器。期待在不久的将来，剪纸电池会给可穿戴电子设备行业带来重大的突破。

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