香港理工大學(PolyU)的研究人員開發出新型的「織物鋰電池」(Textile Lithium Battery),可望啟發更多穿戴式裝置設計人員的靈感與興趣。據研究人員指出,這項新穎的鋰離子電池技術有助於使其克服多項挑戰,包括與開發可撓曲鋰電池有關的能量密度、彈性度、機械強度,以及摺疊次數穩定度。

創新的織物鋰電池由於具備更高的能量密度、彈性度以及可靠性,使其適合各類應用,包括從智慧型手機和全球定位系統(GPS)追蹤到醫療保健監控和智慧織物等,以及各式各樣的物聯網(IoT)專案。

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從規格來看,這種新電池的厚度小於0.5毫米(mm),包括具有超過450Wh/L的能量密度、彎曲半徑小於1mm的高彈性度,以及可摺疊超過1,000次後仍保持原有性能,甚少出現容量衰減現象。該技術還支援快速充電/放電功能。

研究人員表示,現有的可撓曲鋰電池僅能提供大約25mm的彎曲半徑,以及不到200Wh/L的較低能量密度。

香港理工大學(PolyU)的織物鋰電池與其他鋰電池的規格比較(來源:PolyU)

由香港理工大學紡織服裝學會(ITC)研究團隊開發的這項技術還曾經在2019年4月第47屆日內瓦國際發明展(International Exhibition of Inventions of Geneva)上獲得三項大獎——金獎以及兩項特殊貢獻獎。

「穿戴式技術被視為智慧型手機之後的下一個重大市場機會。」帶領ITC研究團隊的PolyU教授Zheng Zijian表示,「穿戴式裝置的全球市場收入預計將以每年20%的成長率迅速增加,到2024年突破千億美元大關。由於所有的穿戴式電子產品都需要穿戴式能源供應,我們的研究團隊開發出可製造織物鋰電池的新技術,能夠為各種下一代應用提供解決方案,包括從醫療保健、資訊娛樂、運動、航太、時尚與IoT應用,到甚至超出目前所能想像到的任何感測或追蹤等用途。」

透過使用PolyU的聚合物輔助金屬沈積法(Polymer-Assisted Metal Deposition;PAMD)專利技術,可讓高導電的金屬、銅與鎳均勻且共形地沉積在預處理的織物上。研究人員表示,所製造的金屬織物具有低薄片電阻和較大的表面積,用於電池中作為集電器(薄片電阻是導電材料的重要特性,可以量化材料的電荷傳輸能力;薄片電阻越低,傳輸越快)。添加活性材料作為陰極和陽極,之後再將金屬織物與隔離層和電解質一起組裝至織物鋰電池中。(以下視訊顯示實驗室設置的過程。)

一般來說,承載陽極和陰極材料的表面積越大,就越穩定、充/放電速度越高且電池更具彈性。採用PolyU專利的PAMD技術控制沉積時間,就能夠輕鬆地控制金屬紗線的厚度和薄片電阻。透過將金屬紗編織成3D金屬織物,與相同尺寸的2D金屬箔片相較,其用於承載主動材料的表面積大大增強了。

根據實驗室測試顯示,電池在變形時仍具有較高的機械穩定度、耐用性和安全性。當電池重覆多次折疊成半、以不同角度扭曲或揉皺時,其電壓視窗保持不變,而且可以彎曲超過1,000次,而且甚少出現容量衰減現象。安全測試——承受連續的錘擊、以剪刀修剪和鐵釘刺穿——證明電池可以為電子元件提供穩定的功率輸出,而不至於著火或爆裂。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Researchers develop high-energy-density, flexible battery for wearables,by Gina Roos)