柔性鋰離子電池專利技術分析
當前，電子設備日趨輕薄化和柔性化，在顯示組件和電路已實現柔性化後，柔性可摺疊的鋰離子電池也成為潮流趨勢。作為新材料領域領先的企業，東旭光電與江西理工大學合作開展了柔性可摺疊鋰離子電池的研發與產業化探索。本期將對柔性鋰離子電池的專利技術現狀及未來發展趨勢進行梳理，希望能為集團相關產業的發展提供參考。
傳統鋰離子電池
傳統鋰離子電池主要由電極、電解質以及隔膜構成，其中電極由集流體（通常為金屬材料）與附著在集流體上的活性電極材料構成，如圖1所示。
圖1 傳統鋰離子電池結構示意圖
柔性電池要求能夠被隨意彎曲或者摺疊，在這種使用條件下，傳統鋰離子電池的電極和電解質均無法適應。
電極：雖然金屬集流體具有一定的柔性，可以適當彎曲，但是變形程度有限；並且在彎曲變形時，電極材料很容易與集流體分離並脫落，造成電極接觸不良甚至短路。
電解質：傳統鋰離子電池的液體電解質在彎曲或摺疊時穩定性不足，還容易發生電解液的泄露。
專利申請量分析
基於Incopat專利資料庫，截至2017年9月13日共檢索到全球範圍內關於柔性鋰離子電池的專利申請139件。
圖2 全球柔性鋰離子電池專利申請量趨勢
申請趨勢方面：柔性鋰離子電池技術起步比較晚，1997年才有相關專利申請出現，接下來10年間年申請量幾無增長，2008-2012年，專利申請量略有增加。伴隨著電子器件柔性化的興起，從2013年起，全球柔性鋰離子電池專利申請量開始呈現快速增長趨勢。
申請來源地方面：在傳統鋰離子電池領域專利申請量領先的中國、韓國、美國和日本，在柔性鋰離子電池專利申請量上同樣具有領先優勢。此外，德國、法國、奧地利和印度也有相關專利申請。
申請人方面：柔性鋰離子電池專利的申請人十分分散。申請量最大的韓國AMOGREENTECH公司的申請量也僅為8件，餘下申請人的申請量均在5件以下。從專利申請人構成來看，企業（佔40%）和高校（佔37%）專利申請佔比較大。可見，柔性鋰離子電池目前仍處於科研嚮應用轉化的過程中，相關技術仍處於專利布局階段，尚未形成專利技術壁壘和具有明顯技術優勢的專利權人。
圖3 全球前十位柔性鋰離子電池專利申請人
重點專利技術分析
（1）柔性複合電極
（2）柔性固體電解質
圖4 固體聚合物電解質鋰離子電池安全性實驗
（3）新型柔性電池結構
圖5 柔性繩狀電池結構示意圖及供電演示圖
繩狀電池結構：如果將層狀的柔性鋰離子電池結構捲曲起來，便得到繩狀電池結構（如圖5所示）。多組的繩狀電池可以採用集束或編織等方式組成形狀各異的外觀，例如將繩狀電池編織成服裝鞋帽等，為各種可穿戴設備供電。在繩狀電池結構方面的專利申請有US20170018799A1、CN103904366A、JP4971139B2等，美國ITN能源、日本川崎重工、韓國LG以及中國復旦大學在柔性繩狀鋰離子電池方面研究較多。
圖6 可拉伸鋰離子電池供電演示圖
市場與技術發展趨勢
市場普遍認為全球下一個科技革命的突破口在可穿戴設備，具有良好的市場前景（如圖7所示）。而可穿戴設備要求具有良好的柔性和理想的續航能力，所以高性能的柔性儲能設備將成為關鍵。目前研究最多的柔性鋰離子電池很可能會成為可穿戴設備市場的熱點。預計到2022年，全球柔性鋰離子電池的市場規模將超過9億美元。
圖7 中國可穿戴市場規模與出貨量
（數據來源：中投顧問產業研究中心）
柔性鋰離子電池不僅可以應用於可穿戴設備，在智能醫療設備中也有廣泛應用，如可植入設備、隨身醫療設備等。即便對於常規的非柔性手機、電腦和電動汽車等，柔性鋰離子電池也具有更輕的重量，同時能夠更充分地利用有限的空間布置更多的電池，從而進一步提高設備的續航能力。
目前柔性鋰離子電池尚處於科研嚮應用轉化的階段，距離規模化商業應用仍有一定距離，主要問題在於：
（1）電極材料與集流體結合仍不夠緊密，反覆彎曲或突然劇烈彎折仍可能造成兩者的分離；
（2）石墨烯薄膜作為負極材料的庫倫效率低，初期放電效率低、容量衰減快；
（3）柔性固體電解質能量密度和功率密度不夠高，無法用於大功率設備。
因此，為了提高柔性鋰離子電池性能，滿足更多應用需求，未來技術的發展將會重點關注於：
（1）新電極材料的研發，探索結合良好、導電性優異、高容量和高循環穩定性的柔性電極材料，金屬氧化物納米線和碳材料（包括碳納米管和石墨烯）可能會成為研究的重點；
（2）柔性固態電解質的研發，尋找離子遷移數高、力學性能好、安全性高、離子電導率高、與電極材料相容性好的聚合物電解質；
（3）電池結構和電極結構的新設計，以及包括印刷法在內的新製備工藝的研發。
隨著科技水平的日新月異，相信柔性鋰離子電池技術很快就會成為未來移動儲能技術的主流趨勢，進入日常生活的方方面面。
主要參考文獻：
[1]Xianfu Wang, Xihong Lu, Bin Liu, et al.FlexibleEnergy-Storage Devices: Design Consideration and Recent Progress [J]. AdvancedMaterials, 2014, DOI: 10.1002: 1-20.
[2]程琦，梁濟元，劉繼延，等. 柔性儲能器件的發展現狀及展望 [J]. 江漢大學學報（自然科學版），2016，44（3）：197-204.
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