近日，瑞典林雪平大学研究团队在国际期刊《科学进展》上发表最新研究成果，他们开发出一种创新的柔性电池（见图，托尔·巴尔克德摄，瑞典林雪平大学供图），将电池电极从传统的固态转化为流体形态。该研究的共同作者、林雪平大学有机电子实验室软电子研究小组的研究负责人艾曼·拉赫曼丁在接受本报记者采访时表示，柔软且易成形的电池有望消除传统刚性电池带来的设计限制，从而为可穿戴设备开辟创新性应用场景。
从智能手表、健康监测贴片，到植入式胰岛素泵、神经接口，再到电子织物与软体机器人，随着越来越多小型设备接入互联网，体积过大且无法适应复杂形变的传统刚性电池在一定程度上约束着电子设备的形态设计和性能释放。林雪平大学研究团队研发的这种柔性流体电池质地犹如牙膏，在拉伸至两倍长度、充放电超过500次的条件下仍可保持性能，可根据需要通过3D打印塑造各种形态，有望为万亿级物联网设备提供能源解决方案。拉赫曼丁举例说，在电子织物或皮肤表面显示器等柔性电子领域，“牙膏电池”可被塑造成任意形状，被直接集成到衣物甚至人体中。
柔性电池的开发曾长期面临“容量与柔性难以兼得”的矛盾：增加活性材料、提升容量会导致电极变厚变硬；采用液态金属作为电极虽能实现形变，却存在充放电过程中固化的风险，且仅能作为阳极使用。为解决这一难题，该研究团队将活性颗粒悬浮于电解质中形成“流体电极”，通过调控颗粒的化学特性使其成为阳极或阴极。“由于流体只需微小外力即可形变，我们能够添加更多活性材料而不牺牲柔性。”拉赫曼丁说。
研究团队还选择导电塑料（共轭聚合物）和木质素作为电池材料。木质素是制浆造纸工业的副产品，全球每年产生超过5000万吨，此前多被直接排入江河或焚烧处理，带来严重的环境污染问题。“通过将木质素等副产品升级利用为电池材料等高附加值商品，我们为循环经济模式贡献了力量。”该研究的主要作者、林雪平大学有机电子实验室的博士后研究员莫森·穆罕默迪表示。
目前该电池的性能并非完美，其电压为0.9伏，约为锂电池（3.7伏）的1/4。研究团队正将目光投向地壳中丰度更高的锌、锰等金属化合物。“锌锰离子体系有望将电池电压提升至1伏以上，它需要重新设计电解质配方并保持电极柔性。”拉赫曼丁透露。与此同时，如何实现电池能量密度提升与规模化生产也是需要解决的问题。研究团队计划进一步提高氧化还原活性物质的浓度与容量，开发出适用于大规模量产的工艺。
“高容量、可拉伸的柔性电池对于柔性电子的发展至关重要。”清华大学气候变化与可持续发展研究院副教授彭天铎表示，“这种使用木质素作为活性材料的流体电池技术兼具实用性和生态友好特性，不仅可以通过造纸工业废弃物的高值转化实现可持续供应，更有望在智能医疗、电子皮肤、软体机器人等领域引发链式创新，进一步促进人机深度融合。”
