美國(guó)開(kāi)發(fā)出可折疊柔性電池

 有一天，你上完廁所，洗手臺(tái)上都是水，你只能把手中的手機(jī)，隨手塞進(jìn)后面的褲袋里。之后你找了張凳子，一屁股坐下去。天，手機(jī)!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(gè)片段看上去很匪夷所思，但其實(shí)它在一步步接近。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)11月5日?qǐng)?bào)道，美國(guó)新澤西理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)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(kāi)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(jī)、平板電腦和電視正在從科幻走入現(xiàn)實(shí)。而這種新型柔性電池的研制成功無(wú)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(xiàng)研究的美國(guó)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(mǎn)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(lèi)似，但它們被設(shè)計(jì)成在具有活性的同時(shí)還要保持柔性。

米特拉表示，對(duì)于堿性電池來(lái)說(shuō)，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(biāo)是利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，并將這種電池轉(zhuǎn)換到柔性平臺(tái)上，比如說(shuō)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(jì)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(lái)置于后備廂中，并驅(qū)動(dòng)車(chē)子。所以，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域，這個(gè)柔性電池都可以“吃得開(kāi)”，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(jiǎn)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(gè)——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(lái)之后，再在其中加入塑料隔板，最后將整個(gè)系統(tǒng)封裝起來(lái)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(jiǎn)單，甚至能夠以半成品套件直接在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，消費(fèi)者也有可能DIY自制電池，以迎合特殊的需求。用戶(hù)在使用時(shí)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(kāi)，然后用層壓機(jī)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(xiàng)研究由新澤西理工學(xué)院化學(xué)專(zhuān)業(yè)博士生王志乾(音譯)協(xié)助完成。相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)已經(jīng)提交，詳細(xì)的研究成果已發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

●未來(lái)

將在柔性電子設(shè)備上應(yīng)用

米特拉說(shuō)：“創(chuàng)建柔性電池是一個(gè)令人興奮的前沿研究領(lǐng)域，因?yàn)橛袩o(wú)數(shù)消費(fèi)者期待這項(xiàng)技術(shù)給他們帶來(lái)驚喜。多年以來(lái)，我們一直用碳納米管技術(shù)和其他先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行著各種嘗試和實(shí)驗(yàn)，如今終于取得了一些成績(jī)。未來(lái)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(lái)幾年內(nèi)，很可能會(huì)被用來(lái)制作成柔性手機(jī)，未來(lái)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(jī)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(jī)。由于整個(gè)手機(jī)其實(shí)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(jī)機(jī)身“流動(dòng)”，展現(xiàn)的效果令人覺(jué)得十分神奇。據(jù)了解，這款手機(jī)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(shí)，不損失屏幕的分辨率。

雖然這兩家機(jī)構(gòu)之間并沒(méi)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(huà)，那么像《少數(shù)派報(bào)告》里，阿湯哥手捧的電子報(bào)紙，似乎也就沒(méi)有那么遙不可及了。而未來(lái)使用柔性屏幕的手機(jī)，也不再會(huì)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(jī)折起來(lái)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(guò)隨著科技的進(jìn)步，電池泛指能產(chǎn)生電能的小型裝置，如太陽(yáng)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)殡娔埽赃_(dá)到電池的功效，就和我們平時(shí)見(jiàn)到的5號(hào)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(shí)驗(yàn)室階段，可以說(shuō)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(lái)、可以扭轉(zhuǎn)、折疊，還可剪裁成各種形狀，類(lèi)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(jí)電容器。

當(dāng)然，柔性電池也并非是個(gè)前無(wú)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(píng)果公司也申請(qǐng)了柔性電池的專(zhuān)利!那些電池也能做到彎曲，可折疊，還有柔性太陽(yáng)能電池等樣式?？萍嫉陌l(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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，也是世上最薄卻也是最堅(jiān)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(gè)2010年左右才開(kāi)始研究，所以現(xiàn)在很熱門(mén)，而且我也比較看好這個(gè)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(jiàn)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(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)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(guó)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(shuō)，石墨以其特殊的片層結(jié)構(gòu)，一直以來(lái)是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。石墨可以看成是多層石墨烯片堆垛而成，而前面介紹過(guò)的碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。當(dāng)石墨烯的晶格中存在五元環(huán)的晶格時(shí)，石墨烯片會(huì)發(fā)生翹曲，富勒球可以看成是多個(gè)六元環(huán)和五元環(huán)，按照適當(dāng)順序排列得到的。

吳慶銀教授表示，由于導(dǎo)電性、機(jī)械性能都很優(yōu)異，石墨烯被賦予了黑金子之稱(chēng)，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板，甚至是太陽(yáng)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(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出的一種新能源電池，就叫做石墨烯電池。從理論上來(lái)說(shuō)，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(shì)。

今年4月，美國(guó)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(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池如果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革新。

“個(gè)納米的厚度，儲(chǔ)能也大，這幾個(gè)特點(diǎn)使得石墨烯非常有競(jìng)爭(zhēng)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(gè)立體的材料，所以相對(duì)厚度、柔性會(huì)不如石墨烯。”

有科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。曼徹斯特大學(xué)副校長(zhǎng)科林·貝利教授就稱(chēng)：“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(jī)和超高速寬帶，到藥物輸送和計(jì)算機(jī)芯片。”