加州大學研究打造出可延展的軟性鋰電池，可以彎曲、切割或刺穿都不會爆炸

為智慧型手機到電動車等所有裝置供電的鋰離子電池，通常包裝在堅固、密封的外殼中，以防止應力損壞其元件，並阻止空氣接觸其易燃且有毒的電解液。將這樣的電池用於軟體機器人或穿戴式裝置是很困難的，因此加州大學柏克萊分校的一個科學家團隊打造了一種彈性、無毒、果凍狀的電池，可以承受彎曲、扭轉，甚至是刀片切割。

雖然先前已實現使用水凝膠電解液的彈性電池，但它們帶來了顯著的缺點。「所有這類電池只能短暫運作，有時只有幾個小時，有時只有幾天，」加州大學柏克萊分校機械工程教授、這項研究的主要作者 Liwei Lin 表示。他的團隊所打造的電池可承受 500 次完整的充電循環，這與大多數智慧型手機電池的設計循環次數差不多。

水中的電力

「現今的電池需要堅固的封裝，因為它們使用的電解液會爆炸，而我們想製造的一種電池，是在沒有這種堅固封裝的情況下也能安全運作的，」Lin 告訴 Ars。不幸的是，由聚合物或其他可延展材料製成的彈性封裝很容易被空氣或水滲透，這些物質會與標準電解液反應，產生大量熱能，可能導致火災和爆炸。這就是為什麼在 2017 年，科學家開始實驗準固態水凝膠電解液。

這些水凝膠由提供其形狀的聚合物網組成，交聯劑（如硼砂或氫鍵）將這個網連接在一起，液相由水構成，鹽或其他電解質添加劑提供離子，這些離子在電池充放電時會通過含水的凝膠移動。

但是那樣的水凝膠也面臨了不少問題。首先是相對窄的電化學穩定視窗——電池可以承受的安全電壓範圍。「這確實限制了電池可以輸出的電壓，」加州大學柏克萊分校感測器與致動器中心研究員、這項研究的主要作者 Peisheng He 表示。

「現今，電池通常在 3.3 伏特下運作，所以它們的穩定視窗必須高於該值，大概四伏特左右，諸如此類。」作為這些水凝膠電解液基礎的水，當暴露於約 1.2 伏特電壓時，通常會分解成氫氣和氧氣。這個問題透過使用富含高氟化鋰鹽的高濃度鹽水解決了，這使得它不太可能分解。但這直接讓研究人員面臨安全問題，因為氟化鋰鹽對人類具有劇毒。

Lin、He 及其同事為自己設定的挑戰是製造一種具有寬廣電化學視窗（理想情況下高於 3 伏特）的水凝膠電池，即使損壞也不會造成嚴重化學灼傷。

新型水凝膠電解液

他們製造的電池的化學成分始於一種同時具有正電荷和負電荷的聚合物（這些被稱為「兩性離子」）作為結構網。水分子與任何帶電部分形成氫鍵，而鋰離子被其帶負電的部分吸引。這樣一來，這種兩性離子聚合物可以緊密地結合水，以防止在高電壓下分解，同時在需要時仍能釋放鋰離子。該團隊隨後使用了丙烯酸作為凝膠的交聯劑，以及含有無氟鋰鹽的電解液，以提供鋰離子。

這種鹽還扮演了額外的角色：它可以從空氣中吸收水。將「水」成分加入水凝膠的通常方法是將交聯的親水性聚合物浸泡於水中；它通常可以達到 80% 的含水量。Lin、He 及其同事不希望他們的水凝膠含有那麼多水，因為水分解的問題。所以他們就讓它從環境濕度中吸收水分。

結果是一種新型水凝膠電解液，只含有 19% 的水分，並在約 50% 的正常室內濕度下保持穩定。一旦電解液準備好了，該團隊加入了電極，並打造了一個功能齊全的電池，為一個帶有幾個 LED 燈的印刷電路供電。該電池可以在沒有密封封裝的情況下運作超過一個月，並在超過 3.1 伏特的電壓下運作，而沒有大量水分解——這個電壓接近商用電池使用的電壓。

儘管取得了這項成功，他們開始對其進行各種測試和破壞。

可以自修復軟性鋰離子

柔軟、果凍狀的電池在扭轉 180 度時仍能為 LED 供電，即使彎曲、被針刺穿以及被刀片切割也能運作。它甚至可以自我修復，並恢復到其原始容量的 90%，在團隊將其切成兩半之後，儘管這需要將其重新組合並在烤箱中加熱。因為電解液在環境空氣中達到了平衡狀態，它不像其他水凝膠電解液那樣因暴露在空氣中而降解，並在 500 次完整的充電循環後仍然功能正常。

不過，也有一些缺點。設計用於 500 次循環的商用電池，原則上應保留其容量的 80%，在完成這 500 次循環後。Lin 和 He 的軟電池保留了約 60% 的容量，這還有很大的改進空間。另一個問題是能量密度。「當您將其與現今最先進的電池相比，」He 表示，「我們實現了它們容量的約十分之一。因此，我認為我們絕對可以努力在能量密度方面進行更多最佳化。根據應用情境，我們可能會犧牲一些特性，例如自我修復。」

然而，Lin 認為相對較低的能量密度並不能說明全部情況。「您的智慧手錶由電池供電，但現今這種手錶的錶帶只執行機械功能，」Lin 表示。「如果您可以用我們的電池替換錶帶，您有更多面積、更多體積可以使用。它不必每天充電一次，例如，它可以運作一週。」