为智能手机到电动汽车等所有设备供电的锂离子电池，通常包装在坚固、密封的外壳中，以防止应力损坏其组件，并阻止空气接触其易燃且有毒的电解液。将这样的电池用于软件机器人或穿戴式设备是很困难的，因此加州大学伯克利分校的一个科学家团队打造了一种弹性、无毒、果冻状的电池，可以承受弯曲、扭转，甚至是刀片切割。
虽然先前已实现使用水凝胶电解液的弹性电池，但它们带来了显著的缺点。“所有这类电池只能短暂运行，有时只有几个小时，有时只有几天，”加州大学伯克利分校机械工程教授、这项研究的主要作者Liwei Lin表示。他的团队所打造的电池可承受500次完整的充电循环，这与大多数智能手机电池的设计循环次数差不多。
水中的电力
“如今的电池需要坚固的封装，因为它们使用的电解液会爆炸，而我们想制造的一种电池，是在没有这种坚固封装的情况下也能安全运行的，”Lin告诉Ars。不幸的是，由聚合物或其他可延展材料制成的弹性封装很容易被空气或水渗透，这些物质会与标准电解液反应，产生大量热能，可能导致火灾和爆炸。这就是为什么在2017年，科学家开始实验准固态水凝胶电解液。
这些水凝胶由提供其形状的聚合物网组成，交联剂（如硼砂或氢键）将这个网连接在一起，液相由水构成，盐或其他电解质添加剂提供离子，这些离子在电池充放电时会通过含水的凝胶移动。
但是那样的水凝胶也面临了不少问题。首先是相对窄的电化学稳定窗口——电池可以承受的安全电压范围。“这确实限制了电池可以输出的电压，”加州大学伯克利分校传感器与致动器中心研究员、这项研究的主要作者Peisheng He表示。
“如今，电池通常在3.3伏特下运行，所以它们的稳定窗口必须高于该值，大概四伏特左右，诸如此类。”作为这些水凝胶电解液基础的水，当暴露于约1.2伏特电压时，通常会分解成氢气和氧气。这个问题通过使用富含高氟化锂盐的高浓度盐水解决了，这使得它不太可能分解。但这直接让研究人员面临安全问题，因为氟化锂盐对人类具有剧毒。
Lin、He及其同事为自己设置的挑战是制造一种具有宽广电化学窗口（理想情况下高于3伏特）的水凝胶电池，即使损坏也不会造成严重化学灼伤。
新型水凝胶电解液
他们制造的电池的化学成分始于一种同时具有正电荷和负电荷的聚合物（这些被称为“两性离子”）作为结构网。水分子与任何带电部分形成氢键，而锂离子被其带负电的部分吸引。这样一来，这种两性离子聚合物可以紧密地结合水，以防止在高电压下分解，同时在需要时仍能释放锂离子。该团队随后使用了丙烯酸作为凝胶的交联剂，以及含有无氟锂盐的电解液，以提供锂离子。
这种盐还扮演了额外的角色：它可以从空气中吸收水。将“水”成分加入水凝胶的通常方法是将交联的亲水性聚合物浸泡于水中；它通常可以达到80%的含水量。Lin、He及其同事不希望他们的水凝胶含有那么多水，因为水分解的问题。所以他们就让它从环境湿度中吸收水分。
结果是一种新型水凝胶电解液，只含有19%的水分，并在约50%的正常室内湿度下保持稳定。一旦电解液准备好了，该团队加入了电极，并打造了一个功能齐全的电池，为一个带有几个LED灯的印刷电路供电。该电池可以在没有密封封装的情况下运行超过一个月，并在超过3.1伏特的电压下运行，而没有大量水分解——这个电压接近商用电池使用的电压。
尽管取得了这项成功，他们开始对其进行各种测试和破坏。
可以自修复软性锂离子
柔软、果冻状的电池在扭转180度时仍能为LED供电，即使弯曲、被针刺穿以及被刀片切割也能运行。它甚至可以自我修复，并恢复到其原始容量的90%，在团队将其切成两半之后，尽管这需要将其重新组整合在烤箱中加热。因为电解液在环境空气中达到了平衡状态，它不像其他水凝胶电解液那样因暴露在空气中而降解，并在500次完整的充电循环后仍然功能正常。
不过，也有一些缺点。设计用于500次循环的商用电池，原则上应保留其容量的80%，在完成这500次循环后。Lin和He的软电池保留了约60%的容量，这还有很大的改进空间。另一个问题是能量密度。“当您将其与如今最先进的电池相比，”He表示，“我们实现了它们容量的约十分之一。因此，我认为我们绝对可以努力在能量密度方面进行更多优化。根据应用场景，我们可能会牺牲一些特性，例如自我修复。”
然而，Lin认为相对较低的能量密度并不能说明全部情况。“您的智慧手表由电池供电，但如今这种手表的表带只执行机械功能，”Lin表示。“如果您可以用我们的电池替换表带，您有更多面积、更多体积可以使用。它不必每天充电一次，例如，它可以运行一周。”
