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柔性电池的内部结构种类

近年来，随着人类科技的不断进步和人工智能技术的不断发展，未来的电子

产品不断地往薄、便携、可穿戴等特点发展，我们称之为柔性电子设备，而这些

设备因为具备多种功能迫切需要高能量，高安全，长寿命及高机械稳定性的柔性

电池来支撑工作。随着柔性电子产品的需求日益增长，因而最近几年，科学家们

对柔性电池的研究越来越多，也越来越深入。

柔性电池壳使用的领域很宽，如图所示：

柔性电池是指具有力学柔性，可反复折叠和卷曲的一类电池，可分为以锌锰，

锂锰为代表的一次柔性电池，以及以锂离子电池，硫钠电池，锂硫电池，锌离子

电池，太阳能电池等为代表的二次柔性电池。这些电池就是内部材料基本上都是

采用柔性可弯曲材料组装而成，大多数都处于研发阶段，也有少量产的。但是电

池本身因为材料和工艺的问题，还存在很多问题，比如能量密度低，寿命短等问

题。这些不同材料的柔性电池，均可以通过不同的结构设计，做成适合不同场合

使用的柔性电池，这些结构设计，目前总结有以下的一些结构：

1.明治结构超薄电池

它是从整体结构上对电池进行设计，将电极和隔膜通过层层堆叠方式制备

成三明治结构超薄电池，与传统电池结构的差别较小，是研究较早的一种典型

柔性电池结构。三明治结构电池可以制备成更加轻薄化的薄膜结构，即薄膜电

池，柔性薄膜结构全固态电池具有极强的柔韧性和较高的能量密度。如下图为

柔性MoS2纳米三明治结构。

2.透明结构电池

透明或半透明柔性电子器件应用广阔，其所用的锂电池不仅需要超薄化，还

需具备透明的特性，柔性透明锂电池的组装需要每个组件都兼具柔韧性和透明性。

3.脊椎结构电池

脊柱主要由脊椎骨和椎间盘构成，周围由韧带连接，具有较高的柔性和大

范围活动的能力。如下图所示的结构

按照传统电池的负极／隔膜／正极的方法进行组裝，然后在垂直方向分割

成多个长条和分支，最后将每个长条状分支缠绕在骨架上。缠绕了分支的骨架

区域相当于脊椎骨，用于储存电能，未缠绕分支的骨架区域比较薄，起到连接作

用。这种的仿生设计实现了兼具高柔韧性和高体积密度的柔性电池结构。

4.折纸／剪纸结构电池

受到折纸/剪纸的影响，研究者发明了折纸/剪纸电池，这种电池可以满足电

池折叠，弯曲变形条件下使用，但是在拉伸和扭曲等条件下不能使用。

5.线性结构电池

核壳结构

中间一般为金属阳极或者金属合金阳极，外面为隔膜，再往外就是敷涂了一

层阴极材料的金属，电解液充满在中间，最外层为可收缩的绝缘层。

以下是不同结构的线形电池

2）缠结结构

在线型结构电池中，有一种鱼纱线加捻类似的结构叫做缠结结构。如下图

所示：

这种结构可以通过3D打印机打印出来。

6.高拉伸电池结构

1)蛇形导电网络结构

把活性材料进行圆形切割分段布局，用可以变形的导线进行对称的蛇纹弯曲

状连接，形成蛇形导电网络结构。

2)波浪结构

电池采用可拉伸的封装材料，正极，负极，电解质等设计成波浪形状，在波

峰位置填充可拉伸材料。如下图所示：

以上有6大类柔性电池的结构，不同的结构能够承受弯曲的角度也不同，三

明治结构与传统电池的结构比较相似，研究也比较早，但是受制于电池内部材料

的发展，在拉伸状态要求比较的情况下，表现不佳。透明电池，无论是材料还是

组装工艺都还处于研究状态。脊椎结构，折纸/剪纸结构可以实现大角度弯曲，

折叠机扭转，但是也是处于实验室阶段。在弹性要求比较高的情况下，采用蛇形

网络结构和波浪结构电池，可以提高电池的拉伸比。