新型柔性電池：低成本、可印刷、有望應用於可穿戴設備！

導讀

最近，美國加州大學聖地亞哥分校開發出了首個可充電的鋅電池，它具有柔性、可伸縮、可印刷等等特點。未來，這種電池有望應用於穿戴設備、感測器和其他電子設備。

關鍵字

電池、柔性電子、印刷電子、可穿戴設備

背景

電池，一直都是影響可穿戴設備、智能手機、智能硬體等消費類電子產品性能的關鍵瓶頸。然而，筆者一直都在關注取代電池的「自供電」方案，例如：

• 《新型塗層將織物變電路：未來將讓衣服實現自供電》和《新型紡織品利用太陽能和風能為可穿戴電子產品供電》兩篇文章中，都提及了利用「摩擦起電」效應，將人體運動能量轉化為電能，實現可穿戴設備的自供電。

（圖片來源於：喬治亞理工學院）

• 《新型柔性納米發電機：有望讓麥克風和揚聲器合二為一！》和《擺脫電池！？柔性納米設備利用人體運動發電》這兩篇文章中，都提及了「鐵電駐極體納米發電機」英文簡稱：FENG。它的原理就是利用人體運動施加壓力，在設備發生形變後，產生出電能，實現自供電。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

• 《再見電池！未來植入式醫療設備可從人體獲取能量》中提及到了一種能量採集設備，採集人體熱量和運動能量為植入式醫療設備供電。

（圖片來源於：Islam Mosa/康涅狄格大學 、Maher El-Kady/加州大學洛杉磯分校）

雖然，「自供電」技術未來將有著十分美好的前景，但是這方面的技術大多數還處於實驗室階段，離量產和商業化還有一段距離。目前，市場上絕大多數的可穿戴設備和消費電子產品，仍然是依靠電池供電。

所以，讓我們重新聚焦於電池相關的創新，這裡先回顧一下筆者以前介紹過的幾個有意思的例子：

• 《新型紙電池：竟然是由細菌提供能量！》介紹了一種存在於一張紙上，由細菌提供能量的電池。

（圖片來源於：Seokheun）

• 《新型柔性太陽能電池：像創可貼一樣具有彈性》介紹過一款帶有微型太陽能充電單元的電池，它不僅具有很好的彈性，而且輕便和舒適，適合像創可貼一樣貼在人體皮膚上。

（圖片來源於：J. Rogers，伊利諾伊大學）

• 《傳統鋰電池安全事故頻發 新型固態電池安全性更佳》這裡介紹過一種跟由固體材料組成的鋰電池，比傳統電池更加安全。

（圖片來源於: ETH Zurich / Fabio Bergamin）

從上面的這幾個例子中可以看出，電池技術的發展也呈現出更加安全、更加柔性、更加輕薄、充電方式更加多樣化的特點。

創新

然而，我們今天要介紹的正是一項電池相關的創新技術，由美國加州大學聖地亞哥分校開發。這種可充電的鋅電池，具有柔性、可伸縮、可印刷等等特點，進一步體現出電池技術發展的一些前沿趨勢。

這項研究的論文於4月19日發表於《先進能源材料》期刊。

（圖片來源於：加州大學聖地亞哥分校）

技術

下面，我們通過一些大家共同關心的問題，從技術方面解釋一下，這款創新型電池是如何具備柔性、可印刷、可充電等特點的。

• 如何做到柔性和可伸縮？

回答這個問題，還是要從研究人員所採用的材料說起，他們集成了一種超彈性的高分子材料，這種材料由異戊二烯和聚苯乙烯製成。異戊二烯是橡膠的主要成分之一，聚苯乙烯則是一種類似樹脂的成分。這種物質稱為 (SIS) ，它可以讓電池可以伸展至平常尺寸的兩倍，而且是向任意方向，不會帶來任何損傷。

• 如何做到可印刷？

首先，我們從印刷這種電池的墨水說起，這種墨水由鋅氧化銀(Zn-Ag2O)混合SIS製成。同時在電池製造方面，他們採用了標準的絲網印刷技術，這項技術可以大幅降低成本。這種新型電池的材料花費僅僅只有0.5美元，相對於而言，而市場可買到的充電電池需要花費5美元。

這種電池可直接在纖維或者其他可粘貼在皮膚上的材料上進行印刷。它們可印刷成帶狀，並且性能穩定，可以佩戴較長時間。

• 如何做到可充電？

鋅電池，作為商用產品已經有很長時間了，但是通常是不可充電的。那麼，研究人員又是如何改變這一現狀的呢？仍然是因為他們採用了一種新材料，他們在電池中加入了一種關鍵的成分：氧化鉍。

當這種成分加入鋅電極時，會延長電池壽命，讓它變得可充電。在鋅電池中加入氧化鉍，是一種用於提高性能的工業標準作法。但是，目前為止，還沒有科學解釋能完整地說清楚這是為什麼。

去年，Y. Shirley
Meng 教授帶領加州大學聖地亞哥分校的納米工程師，發表了一篇很詳細的分子學論文，研究並解釋了這一問題。

（圖片來源於：參考資料【3】）

當鋅電池放電時，電極會和電池內部的液體電解質發生反應，產生溶解於溶液中的鋅鹽。這最終將會導致電池內部的電路短路。添加氧化鉍，能夠防止電極的鋅流失到電解液中，這將保證電池能夠持續穩定工作，並且可再充電。

加州大學聖地亞哥分校的可持續能源和能源中心的主任 Meng 這麼說：

「理解這麼做的科學基礎，讓我們可以將非充電電池變成充電電池，不僅是適用於鋅電池，也適用於其他電化學物質，例如鋰氧。」

總結一下，這款電池之所以能夠變得柔性、可印刷、可充電，離不開一些列新材料的應用，它們不僅改善了電池的性能，而且降低了成本。

價值

（圖片來源於：加州大學聖地亞哥分校）

對於這項研究的價值，我們先來聽聽論文的高級作者之一、加州大學聖地亞哥分校雅各布工程學院的納米工程教授 Joseph Wang 的說法：

「這是邁向可伸縮的電子設備過程中，具有標誌性的一步。我們希望這項技術能夠鋪設一條道路，改善其他形式的能源存儲以及可印刷、可伸縮的電子設備，不僅僅是適用於鋅電池，也可以適用於鋰離子電池，同樣還可以適用於超級電容和光電池。」

雖然，這種原型電池差不多只有助聽器的可充電電池容量的1/5，但是厚度卻只有1/10，而且更加廉價，採用的材料也是是市場上可以購買到的。

另外，研究人員一直在致力於提高電池性能，下一步包括拓展這項技術的應用領域，例如太陽能電池和燃料電池，以及利用這種電池為各式各樣的電子設備供電。

商業化

之前，筆者介紹過很多前沿創新技術，不少朋友都對於創新技術的商業化感到興趣。那麼，我們就通過這項創新技術，看看研究人員們是怎麼做的，或許可以為大家帶來一些啟發。

這篇論文的合著第一作者、雅各布工程學院的納米工程專業博士生 Rajan Kumar 和納米工程專業的王（音譯）教授，正在領導團隊對於這項創新進行商業化。他們的項目是入選加州大學聖地亞哥分校新技術加速器的五個項目之一。該技術加速器，由加州大學聖地亞哥分校全球企業家協會運行。

Kumar 獲取了5萬美元的資金，以繼續完善這一技術原型，用於與戰略夥伴之間進行原型測試，以及創業指導。Kumar 對於團隊的創新成果感到很有信心，因為將來薄膜、可伸縮的電池將取代硬幣式的電池。他認為採取正確的戰略舉措，對於商用化成功來說猶為關鍵。他說：「現在是要確保我們的戰略在正確的方向上。」

除了IGE技術加速器，團隊還也參與了NSF Innovation-Corps (I-Corps) 項目，這個項目也由全球企業家協會管理。 I-Corps 項目中一個重要原則就是，幫助創業團隊在早期商業化的過程中，確認目標市場和商業模式。例如，通過 NSF I-Corps，Kumar 已經開始與潛在的客戶接觸，而這些客戶可以幫助他們的團隊更好的專註於商業化策略。

在這些項目的幫助下，Kumar 正帶領團隊跨越一些列的里程碑，更好地定位他們的創新。

參考資料

【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2220

【2】Rajan Kumar, Jaewook Shin, Lu Yin, Jung-Min You, Prof. Shirley Meng and
Prof. Joseph Wang, Department of Nanoengineering, Jacobs School of
Engineering, University of California San Diego. All-Printed, Stretchable Zn-Ag?O Rechargeable Battery via Hyperelastic
Binder for Self-Powering Wearable Electronics」 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201602096/full

【3】http://smeng.ucsd.edu/wp-content/uploads/Deposition-of-ZnO-on-bismuth-species-towards-a-rechargeable-Zn-based-aqueous-battery1.pdf

需要進一步探討交流的朋友，請直接聯繫作者微信：JohnZh1984，或者微信關注公眾號：IntelligentThings。

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