編者按：

本文目的在了解柔性電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用。鳴謝 自主研制NTC芯片的特普生儲(chǔ)能CCS集成溫度采集母排，對(duì)本文的大力支持，感謝特普生海外技術(shù)翻譯官林博女士！

近年來，隨著可穿戴、柔性電子產(chǎn)品需求不斷增長(zhǎng)，柔性、高能量密度儲(chǔ)能器件得到快速發(fā)展。

柔性電池在各種儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有高能量密度和穩(wěn)定的電化學(xué)性能，被認(rèn)為是可穿戴電子產(chǎn)品最有前途的電池技術(shù)。然而，當(dāng)今最靈活的電池是鋰離子電池。它僅由完整的陽(yáng)極、隔膜、陰極疊層組成，導(dǎo)致整體性能不如剛性電池。

一、柔性電池的機(jī)理

人體的指關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)具有良好的靈活性，關(guān)鍵是由于其關(guān)節(jié)面的特殊結(jié)構(gòu)，幫助關(guān)節(jié)順利轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到我們手指的靈活性。基于這一靈感，柔性鋰離子電池出現(xiàn)了。

首先，石墨陽(yáng)極、隔膜、鈷酸鋰 (LCO) 陰極的堆疊被分成互連的部分，每個(gè)部分對(duì)折。然后，每個(gè)折疊的片段可以卷成棱柱形狀的厚堆。在連接處，它由兩個(gè)厚的剛性疊層和一個(gè)薄的柔性部分組成。

·厚的疊片有助于緩沖變形引起的應(yīng)力，并為柔性電池提供主要容量。

·薄的柔性部分將厚的剛性電池堆彼此連接起來，賦予電池出色的柔韌性。

除了以棱柱形狀纏繞外，還可以改變纏繞方法。對(duì)于具有棱柱形儲(chǔ)能單元的柔性電池，與傳統(tǒng)柔性電池結(jié)構(gòu)相比，在提高能量密度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，其相對(duì)能量密度可以輕松超過90%。

對(duì)于采用圓柱形儲(chǔ)能單元的電池，它們可以沿電池長(zhǎng)邊的任意位置彎曲，并能承受更復(fù)雜的變形。此外，兩個(gè)圓柱形元件之間的連接部分的長(zhǎng)度允許其被拉伸。

通過在其內(nèi)填充彈性聚合物材料，可將圓柱形電芯的柔性電芯制成柔性、可拉伸的磷酸鐵鋰電池。對(duì)于其他形狀電芯的電池，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、柔性電池的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)電池相比，柔性鋰金屬電池能夠：

可承受彎曲、折疊和拉伸；耐磨、防水、阻燃；自愈性能；抗沖擊損傷

因此，柔性鋰金屬電池的每個(gè)組件，包括電極、電解質(zhì)、集流體等，都應(yīng)從傳統(tǒng)的剛性或脆性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性基體。一般情況下，柔性電池一次只能實(shí)現(xiàn)一種變形，即彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形。

對(duì)于圓柱形電芯的電池，連接部分的長(zhǎng)度足夠，這使得電池能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。纏繞被認(rèn)為是評(píng)價(jià)靈活性的更高標(biāo)準(zhǔn)。由于其圓形形狀，圓柱形電池提供了更大的靈活性。

三、柔性電池的組成

此外，一些電池單元應(yīng)考慮機(jī)械穩(wěn)定性、疏水性和阻燃性，并且每個(gè)組件應(yīng)按其原始順序穩(wěn)定連接，以防止電池失效。主要包括柔性負(fù)極、電解質(zhì)、正極材料及其中間層的設(shè)計(jì)。

● 柔性陽(yáng)極

純鋰金屬較軟（莫氏硬度為0.6），無法恢復(fù)可塑性（約50-70%的延展性），并且在反復(fù)彎曲、折疊或拉伸時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋。機(jī)械柔性低、反應(yīng)活性高以及鋰金屬裂紋處的枝晶生長(zhǎng)阻礙了柔性鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用。

● 非流體電解質(zhì)

當(dāng)前對(duì)鋰金屬電池高度安全、輕量化、耐磨、環(huán)保的需求帶動(dòng)了新結(jié)構(gòu)的發(fā)展。采用傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的電池存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，電極材料容易腐蝕，使得可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和組裝變得困難。

與純液體電解質(zhì)相比，固體電解質(zhì)（SSE）、凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）和準(zhǔn)固體電解質(zhì)（QSE）都是非流體形式，可以統(tǒng)稱為非流體電解質(zhì)。

非液體電解質(zhì)在抑制鋰枝晶、提高電池安全性和變形方面更可靠。其中，所述固體電解質(zhì)包括無機(jī)固體電解質(zhì)、聚合物固體電解質(zhì)和無機(jī)聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)。

然而，離子電導(dǎo)率和電化學(xué)窗口的缺乏仍然是進(jìn)一步應(yīng)用的障礙。排名前五的電池電解質(zhì)公司 正在嘗試開發(fā)具有高離子電導(dǎo)率、化學(xué)惰性、機(jī)械穩(wěn)定性和靈活性的新型電解質(zhì)材料。這種新穎結(jié)構(gòu)的柔性電池具有優(yōu)異的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度。

四、柔性電池的電化學(xué)性能

● 棱鏡單元

方形電池的電池是扁平的，容量衰減很小。因此，這種結(jié)構(gòu)新穎的柔性電池對(duì)各種形變具有很高的適應(yīng)性。由于大多數(shù)柔性電子設(shè)備在使用過程中都會(huì)伴隨著動(dòng)態(tài)變形，其配套的柔性電池在整個(gè)使用過程中可以經(jīng)歷數(shù)萬次動(dòng)態(tài)循環(huán)。電化學(xué)性能和耐久性是基本要求，也是柔性電池實(shí)際應(yīng)用中的一大挑戰(zhàn)。但是由于設(shè)計(jì)新穎，電池容量不會(huì)明顯衰減。

● 圓柱單元

由于其固有特性，圓柱形單元的柔性電池可以承受更極端和復(fù)雜的變形。這種柔性電池的電化學(xué)性能幾乎沒有變化。同樣，容量沒有顯著減少。不同循環(huán)對(duì)應(yīng)的充放電平臺(tái)幾乎沒有變化，表明這種柔性電池具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和機(jī)械阻力。由于柔性設(shè)備在使用過程中通常不會(huì)產(chǎn)生單一變形，因此電池在動(dòng)態(tài)復(fù)合變形下的穩(wěn)定性也相當(dāng)重要。此外，這種新穎的結(jié)構(gòu)使得金屬集流體始終處于彈性變形范圍內(nèi)，使得柔性電池具有優(yōu)異的機(jī)械耐久性和電化學(xué)穩(wěn)定性。

五、柔性電池的應(yīng)用

● 當(dāng)前存在的問題

鋰金屬電池的理論能量密度高于鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鋅錳電池等儲(chǔ)能裝置。盡管近年來研究熱度有所增加，但前10名鋰離子電池負(fù)極材料公司在柔性電池開發(fā)方面仍處于起步階段。

衡量柔性鋰金屬電池的指標(biāo)主要包括真實(shí)能量密度和柔性指標(biāo)，同時(shí)兼顧實(shí)際應(yīng)用。其中，以下幾點(diǎn)至關(guān)重要：

·開發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的陽(yáng)極。

·開發(fā)具有新結(jié)構(gòu)和高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料。

·提高高容量正極材料的靈活性和元素利用率。

·合理的電池配置設(shè)計(jì)。

·集成防水防火、自愈、抗沖擊等安全特性，滿足耐磨要求。

● 可穿戴設(shè)備

因?yàn)椴煌娦拘螤畹碾姵乜梢蕴峁┎煌撵`活性。帶有棱柱形單元的電池可為耳機(jī)和長(zhǎng)手表供電。圓柱形電池由于其可拉伸特性，可用于具有更高靈活性要求的設(shè)備。采用三棱柱單元的電池，可以卷繞成剛性柱狀電池，方便攜帶，可以作為手機(jī)充電器給手電筒充電。

六、結(jié)論

盡管有些結(jié)構(gòu)是為柔性鋰離子電池設(shè)計(jì)的，并提供更好的可變能力。然而，這些柔性電池仍然難以應(yīng)對(duì)包括折疊、拉伸、卷繞和復(fù)合變形在內(nèi)的極端變形。

因此，能夠同時(shí)適應(yīng)多種變形、具有高機(jī)械阻力和高能量密度的柔性鋰離子電池仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。隨著各種可穿戴電子產(chǎn)品、移動(dòng)終端和電動(dòng)汽車對(duì)高能量密度的迫切需求，以及現(xiàn)代儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)輕量化、便攜性和靈活性的需求。新一代柔性電池已得到廣泛研究。