美國開發(fā)出可折疊柔性電池

 有一天，你上完廁所，洗手臺上都是水，你只能把手中的手機，隨手塞進后面的褲袋里。之后你找了張凳子，一屁股坐下去。天，手機!不用擔(dān)心，它不再是那么硬邦邦的塊頭，相反，它可以被彎曲，甚至折疊。

這個片段看上去很匪夷所思，但其實它在一步步接近。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)11月5日報道，美國新澤西理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種由碳納米管制成的柔性電池。此前，電子產(chǎn)品制造商已經(jīng)制造出了柔性O(shè)LED顯示器，這種開拓性的技術(shù)將讓我們身邊的電子產(chǎn)品發(fā)生根本性的改觀，可以折疊的手機、平板電腦和電視正在從科幻走入現(xiàn)實。而這種新型柔性電池的研制成功無疑讓這些柔性可折疊設(shè)備離我們更近了一步。

電池保持柔性可被折疊

據(jù)領(lǐng)導(dǎo)該項研究的美國新澤西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)教授薩曼尼·米特拉介紹，每塊電池都由軟塑料襯底制成，上面布滿了作為“電活躍成分”的碳納米管和“微粒子”。這些粒子與傳統(tǒng)電池中的粒子作用類似，但它們被設(shè)計成在具有活性的同時還要保持柔性。

米特拉表示，對于堿性電池來說，這些粒子可以是鋅或二氧化錳(或者是鋰電池中的鋰鹽)。“我們目標是利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，并將這種電池轉(zhuǎn)換到柔性平臺上，比如說柔性顯示屏的電子設(shè)備。”

雖然碳納米管電池并不是全球首款柔性電池，但是與之前的柔性電池相比，采用該技術(shù)制成的電池，在外形設(shè)計上極為靈活。從小到針尖大小的微電池，大到像客廳地毯那樣的尺寸，這款電池都能夠輕松“拿下”。甚至還柔軟到可以被卷起來置于后備廂中，并驅(qū)動車子。所以，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域，這個柔性電池都可以“吃得開”，多種尺寸的柔性便攜設(shè)備都能適配。

像三明治一樣壓合

除此之外，這種電池還有另外一種革命性的潛力——它結(jié)構(gòu)簡單、組裝難度較小，掌握技術(shù)要領(lǐng)后容易批量生產(chǎn)。制造這款電池需要的基本部件只有三個——電極、電漿和包裹材料。使用兩片塑料包裹材料，將電極和電漿包裹起來之后，再在其中加入塑料隔板，最后將整個系統(tǒng)封裝起來就可以了。

此外，研究人員還表示這種電池的裝配步驟也非常簡單，甚至能夠以半成品套件直接在市場上銷售，消費者也有可能DIY自制電池，以迎合特殊的需求。用戶在使用時可以將兩張帶電極的塑料封皮與中層隔板糊上，也就是用絕緣板將兩塊電極塑料板隔開，然后用層壓機像制作三明治那樣，將三塊板壓合到一起即可，之后就可以像AAA或AA電池那樣為各種設(shè)備提供電能。

這項研究由新澤西理工學(xué)院化學(xué)專業(yè)博士生王志乾(音譯)協(xié)助完成。相關(guān)專利申請已經(jīng)提交，詳細的研究成果已發(fā)表在《先進材料》雜志上。

●未來

將在柔性電子設(shè)備上應(yīng)用

米特拉說：“創(chuàng)建柔性電池是一個令人興奮的前沿研究領(lǐng)域，因為有無數(shù)消費者期待這項技術(shù)給他們帶來驚喜。多年以來，我們一直用碳納米管技術(shù)和其他先進技術(shù)，進行著各種嘗試和實驗，如今終于取得了一些成績。未來包括柔性電池在內(nèi)的柔性電子技術(shù)，將融入我們的生活，并使其發(fā)生徹底改觀。”

由于具有非常出色的可塑性，因此碳納米管柔性電池在未來幾年內(nèi)，很可能會被用來制作成柔性手機，未來有望在柔性顯示器和可穿戴電子設(shè)備上獲得應(yīng)用。

除了碳納米管柔性電池之外，最近，日本一家研究機構(gòu)還展示了一款四周全部由屏幕制作而成的全屏幕原型手機。由于整個手機其實就是一塊全方位的屏幕，因此圖片和文字甚至可以沿著手機機身“流動”，展現(xiàn)的效果令人覺得十分神奇。據(jù)了解，這款手機的屏幕使用了一種名為“C軸排列晶體”的新型材料，能夠在彎曲的同時，不損失屏幕的分辨率。

雖然這兩家機構(gòu)之間并沒有什么聯(lián)系，但是如果將這兩種技術(shù)結(jié)合到一起的話，那么像《少數(shù)派報告》里，阿湯哥手捧的電子報紙，似乎也就沒有那么遙不可及了。而未來使用柔性屏幕的手機，也不再會像現(xiàn)在一樣，僅僅將柔性屏幕變成了曲面屏幕而已，將手機折起來塞在褲袋里這樣的想法或許也不是不可能的。

●相關(guān)

碳納米管電池與柔性電池

什么叫電池?就是指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極，以產(chǎn)生電流的杯狀、槽狀或其他容器或復(fù)合容器的部分空間，能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，不過隨著科技的進步，電池泛指能產(chǎn)生電能的小型裝置，如太陽能電池。而其中，電解質(zhì)則是指溶于水溶液中或在熔融狀態(tài)下，就能夠?qū)щ姴a(chǎn)生化學(xué)變化的化合物。而上文提到的柔性電池，就是把碳納米管做成電解質(zhì)，放到電池的結(jié)構(gòu)中，將金屬電極和電解質(zhì)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，以達到電池的功效，就和我們平時見到的5號電池工作原理差不多。

“碳納米管是在1992年左右發(fā)現(xiàn)的，研究至今都已有20年了，在實驗室階段，可以說相關(guān)技術(shù)都很成熟了。”浙江大學(xué)化學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師吳慶銀表示，碳納米管電池已經(jīng)有了不少成品。和前文所提及的電池有些不太一樣，那些碳納米管電池看上去就像一張黑紙。這種納米工藝器件重量輕、非常薄、很柔軟，可以卷起來、可以扭轉(zhuǎn)、折疊，還可剪裁成各種形狀，類似于紙狀電池，也可以像印刷紙一樣落成一疊，產(chǎn)生總體功率的輸出。這種器件奇特之處在于，其功能既像高能量電源，又像大功率超級電容器。

當然，柔性電池也并非是個前無古人之物。2010年日本一公司就宣布，已研制成一種厚度僅為0.3毫米、表面積為4平方厘米的柔性電池。蘋果公司也申請了柔性電池的專利!那些電池也能做到彎曲，可折疊，還有柔性太陽能電池等樣式。科技的發(fā)展總是能帶給人們各種驚奇。

潛力非凡的石墨烯

現(xiàn)在還有一種物質(zhì)，它的潛力可能比碳納米管還大，目前來說，它是石墨烯。這是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，目前來說，也是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的。

“碳納米管已經(jīng)研究了很久了，這個2010年左右才開始研究，所以現(xiàn)在很熱門，而且我也比較看好這個材料。”據(jù)吳慶銀教授介紹，石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨，是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的。石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

在近20年中，碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒球和碳納米管被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以后，三維的金剛石、“二維”的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球，組成了完整的碳系家族。吳慶銀教授說，石墨以其特殊的片層結(jié)構(gòu)，一直以來是研究的一個熱點。石墨可以看成是多層石墨烯片堆垛而成，而前面介紹過的碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。當石墨烯的晶格中存在五元環(huán)的晶格時，石墨烯片會發(fā)生翹曲，富勒球可以看成是多個六元環(huán)和五元環(huán)，按照適當順序排列得到的。

吳慶銀教授表示，由于導(dǎo)電性、機械性能都很優(yōu)異，石墨烯被賦予了黑金子之稱，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板，甚至是太陽能電池。利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間，快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池，就叫做石墨烯電池。從理論上來說，石墨烯電池潛力要大得多，在快速充電和容量方面都很有優(yōu)勢。

今年4月，美國俄亥俄州的一家公司，利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間，快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認為，未來一分鐘快充石墨烯電池如果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。

“個納米的厚度，儲能也大，這幾個特點使得石墨烯非常有競爭力。”吳慶銀教授表示，用石墨烯制造的電池，由于它本身的特性，就能夠做到薄，而且柔軟，“碳納米管畢竟是個立體的材料，所以相對厚度、柔性會不如石墨烯。”

有科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀”。曼徹斯特大學(xué)副校長科林·貝利教授就稱：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機和超高速寬帶，到藥物輸送和計算機芯片。”