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柔性电池:折叠出未来世界

发布时间:2023-08-23 10:11   作者:周 韵 程春蕾   来源:解放军报2023年8月18日   点击数:0

前不久,世界经济论坛第十四届新领军者年会(即“夏季达沃斯论坛”)在天津召开。论坛公布了《2023年十大新兴技术报告》,罗列出10项将在未来3到5年内对社会产生重大积极影响的新兴技术。值得关注的是,柔性电池被列为“十大新兴技术”之首。

报告指出,传统的刚性电池可能很快就会过时,而由可弯曲、折叠和拉伸的轻质材料制成的薄型柔性电池即将全面进入市场。

柔性电池将如何改造电池的未来?在哪些领域会得到广泛使用?未来的发展将会面临哪些挑战?今天,请让我们一探究竟。

以柔克刚

若干年前,人类曾这样想象着浪漫奇幻的未来——

手机可以像手绢一样折起来塞进口袋,电视显示屏可以像画轴一样自由舒卷,随身佩戴的智能手表不仅薄如蝉翼,还能和手腕全面贴合……试想一下这些画面,是不是很酷?

现在,未来已来,这些美好的幻想与期待正在加速走进我们的生活。而这一加速的过程,离不开一种高度灵活的储能装置的“加持”,这种储能装置就是——柔性电池。

柔性电池是指可以承受弯曲、拉伸、扭曲甚至折叠等形变而性能不变的电池。早在20世纪80年代,就有科学家开始尝试制作柔性电池。但是,受制于技术和成本问题,柔性电池难以实现大面积应用。近年来,随着纳米技术、材料科学和3D打印技术的进步,柔性电池开始逐渐走进大众视野。

目前,柔性电池主要包括柔性锂电池、柔性薄膜电池、柔性纤维电池和柔性纸电池等类型。

我们日常使用的传统刚性电池,大多采用堆叠和组装的方式,在尺寸和形状上非常“僵硬”。相比之下,柔性电池主要具有以下几个优势:

——柔性更高。柔性电池采用了一系列的轻质材料,例如可弯曲的聚合物和金属箔,使得电池能够在不损失性能的情况下弯曲和变形。这种柔性为手机等智能电子设备的设计带来许多新可能,既可以实现更加轻薄、时尚的外观,也可以使设备更加贴合用户的需求和生活方式。

——能量更强。柔性电池可以根据具体需求进行裁剪和定制,以适应不同设备的大小和形式。这意味着柔性电池可以在更多的空间内实现更大的能量存储,在同等容量下节省更多的组装部件,从而使电池具备更高能量密度和功率输出。

——环保性强。部分传统电池使用的重金属材料成本高,往往不可降解,使用寿命结束后会产生大量电子废物。柔性电池更多采用可回收和可再利用的新材料生产,有助于降低资源消耗和减少对稀有资源的依赖,推动经济绿色循环发展。

——安全性更佳。柔性电池具备良好的环境适应性和抗碰撞性,且传热面积大,便于散热和管理,即使在极端条件下也不影响使用。与传统电池相比,柔性电池在热失控过程中产生的气体很容易释放,从而可以快速冷却,避免出现因温度过高而产生的电池爆炸风险。

目前,世界各国研究人员正在竞相探索用更新的材料和技术来制造柔性电池。有研究人员受到了人们做仰卧起坐运动时人体脊椎的柔韧性启发,研发了一款柔性锂电池。这款锂电池无论如何弯曲,都具有显著的柔性、高能量密度和稳定的电压,在未来的可穿戴设备,特别是折叠屏电子产品和智能手表等方面有着广阔应用前景。还有一款柔性纤维电池,虽然只有几百微米厚,但存储容量却有123毫安,长度更是达到了惊人的140米,其可织性和拉伸性使得柔性电池可集成到衣物、腕带、手套、口罩等日常生活用品中……

可以预见,在不远的将来,凭借自身特有的“以柔克刚”优势,柔性电池将在很多领域取代刚性电池的主角地位,为人类美好生活创造更多可能。

多点开花

2023年十大新兴技术报告》指出,柔性电池技术预计到2027年将达到2.4亿美元的市场价值。随着市场发展,柔性电池在消费类电子产品、医疗保健和可穿戴设备等领域将多点开花,展现出丰富的应用场景。

消费电子领域——未来,柔性显示屏的发展和柔性电池息息相关。如今,我们虽已看到可折叠屏手机和可弯曲电子书的问世,但其技术尚不成熟,普及率不高。柔性电池的出现将进一步推动可折叠、可卷曲显示屏的发展,这将为消费者带来全新的移动体验,让他们能够拥有更大的屏幕空间和电池续航,同时仍能将设备轻松放入口袋。

医疗设备领域——传统的医疗设备通常笨重且不便携带,影响了患者的活动范围和舒适度。柔性电池可以使医疗器械变得更加轻盈灵活。例如,可穿戴式心电图、柔性药物输送器、可弯曲的内窥镜等设备可以更好适应患者的身体曲线和活动需求,减少不必要的不适感,提高治疗效果。

电子标签领域——通过纳米材料、印刷电子生产等新技术,一块邮票大小的“薄片”即可为低功率电子用品提供相当长时间的电力支持。这种柔性薄膜电池应用于电子标签后,可使监控安防、射频识别、冷链物流、仓储管理等场景更加智能化。

航天工程领域——在中国空间站天和核心舱发射任务中,天和核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳电池翼作为航天器的能量来源。与传统刚性、半刚性太阳电池相比,柔性翼体积小、展开面积大、功率重复比高,在满足舱内所有设备正常运转的同时,还可以充分保障航天员在空间站中的日常生活。

科技发展日新月异,柔性电池的应用场景还将不断增多。随着研究人员不断完善设计并克服挑战,柔性电池成为我们日常生活中不可或缺的一部分,只是时间问题。

战力可观

柔性电池,除了将广泛应用于智能穿戴、医疗健康等民用领域外,其在国防军事领域的广阔应用前景也不容小觑。

单兵作战系统的重要电源。柔性电池不仅能为战场上的单兵电子设备提供持久稳定电力,还可大大减轻单兵负重,增强单兵作战的灵活性和机动性,为未来单兵装备的电源选择提供最优解。英国“维图斯”士兵系统将柔性电池集成到了可穿戴的作战背心和腰带上,这更加易于携带且不会妨碍士兵行动。美军新一代单兵系统的电源已从单一传统电池发展为包含柔性电池、便携式自发电、贴合人体能量回收的综合能源系统,能够有效延长士兵携带传感器、电子设备和通信系统的续航力。

无人飞行器的“能源新宠”。在近年来的几场局部战争中,无人机表现抢眼。但很多采用传统电池维持动力的小型无人机,存在续航能力差的短板。如果想要持续提高无人机的战斗性能,必须解决电池的能效问题。能量密度更高、重量更轻、携带更方便的柔性电池,显然是个不错的选择。一旦技术成熟,这将大幅提升无人机执行远程侦察和监视任务时的作战效能。

在军事后勤领域亦大有可为。柔性电池可以集成在夹克、手套、鞋袜等衣物里实现内置加热,不仅可以有效增强士兵手、脚、膝盖等部位的保暖防护,还将使防寒衣物更加轻便。这对在高原高寒地域执行任务的士兵来说意义重大。此外,美国研究人员还以柔性电池技术为基础,开发了一款电子“创可贴”。这种新型可拉伸无线生物电子系统,可用于监测慢性感染伤口,并通过伤口部位的电刺激和药物治疗促进伤口愈合,可有效提升战伤救护效能。

一个属于柔性电池的智能化时代,正在加速向我们走来。目前,和柔性电池相关的柔性显示屏、柔性传感器、柔性超级电容器等技术都取得了重大进展,更多关于柔性电池的研究方兴未艾,让我们拭目以待。

 


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