摘要：研究小组采用液态金属，实现了可伸缩的气体阻隔薄膜。采用此薄膜对电池进行封装，实现了可在空气中工作的可拉伸锂离子电池。在新一代可穿戴设备当中，可拉伸传感器的应用备受期待。本技术有望与可拉伸传感器一同使用，成为用于物联网的新型电池。

关键字：液态金属、可拉伸锂离子电池、可伸缩薄膜、封装材料、新型电池、新一代可穿戴设备、物联网

研究要点

开发出一种可在大气中工作的可拉伸锂离子电池。
采用液态金属开发出具有高气体阻隔性的可伸缩薄膜，从而实现了可在大气中工作的锂离子电池。
该薄膜有望被应用于物联网中所使用的新一代可穿戴设备。

社会背景

現在、シリコーンゴムやポリウレタンゴムを用いたストレッチャブルエレクトロニクスに関する研究が盛んに行われています。ストレッチャブルエレクトロニクスは次世代のウェアラブルデバイスを支える基盤技術となることが期待されています。様々なストレッチャブルセンサーやインタフェースが提案されているものの、デバイス化、システム化をするうえでバッテリーに関して課題が存在します。現在のストレッチャブルデバイスには硬く大きいリチウムイオンバッテリーが使用されており、デバイス全体の伸縮性を大きく損なっています。そのため、ストレッチャブルバッテリーが、近年、研究されています。

目前，采用硅橡胶和聚氨酯橡胶的可拉伸电子器件的相关研究十分活跃。可拉伸电子器件有望成为支持新一代可穿戴设备的共性技术。虽然目前科研人员已经提出了各种可拉伸传感器和可伸缩接口，但在实现设备和系统的过程中仍存在电池相关的问题。目前的可拉伸设备采用刚性的大型锂离子电池，大大降低了设备整体的可伸缩性。因此，近年来科研人员一直在进行可拉伸电池的研究。

しかしながら、現在高出力が可能なストレッチャブルリチウムイオンバッテリーはそのままでは大気中で使用できず、社会実装を考えるうえで大きな問題となっています。これは、外装材にゴム材料を用いているため、ガスと水分が透過することに起因しています。そこで、本研究では液体金属をパッケージング材料に用いることで、この問題を解決し、大気中で使用できるストレッチャブルリチウムイオンバッテリーを実現しました。

然而，目前能够实现高输出功率的可拉伸锂离子电池不能在大气中直接使用，在实现社会化应用方面存在重大问题。这是由于外部封装材料采用了橡胶，而橡胶能够透过气体和水分。因此，本研究通过采用液态金属作为封装材料从而解决了该问题，实现了可以在大气中使用的可拉伸锂离子电池。

研究成果

液体金属(LM)の伸縮性とガスバリア性を利用することによって、高いガスバリア性と伸縮性を両立した薄膜フィルムを開発しました。その開発したフィルムをリチウムイオンバッテリーのパッケージとして用いることによって、大気中で動作する伸縮可能な(ストレッチャブル)リチウムイオンバッテリーを実現しました。従来ストレッチャブルバッテリーにはゴム材料をパッケージング材料に用いていました。しかしながらゴム材料は酸素ガス及び水分に対して高い透過性を有します。その結果、リチウムイオンバッテリーを劣化させてしまい、大気中で使用することが困難でした。

利用液态金属（LM）的伸缩性和气体阻隔性，开发了一种既具有高气体阻隔性能又具有伸缩性的薄膜。采用本次开发的薄膜对电池进行封装，实现了可在大气中工作的可伸缩锂离子电池。传统可拉伸电池采用橡胶材料作为封装材料。然而，橡胶材料对于氧气和水分的透过性很强，会导致锂离子电池的劣化，使锂离子电池难以在大气中使用。

本研究では、ポリウレタンゴムに液体金属をコートすることで、ポリウレタンゴムに高いガス・水分バリア性を付加することができました(図1,2)。このフィルムをリチウムイオンバッテリーのパッケージとして用いることによって大気中で動作するストレッチャブルリチウムイオンバッテリーを実現しました(図3)。

本研究通过在聚氨酯橡胶上涂布液态金属，使聚氨酯橡胶具备了高气体阻隔性和高防水性（图1，图2）。通过采用该薄膜作为锂离子电池的封装材料，实现了可以在大气中工作的可拉伸锂离子电池（图3）。

通常のゴム材料をパッケージング材料に用いたとき、大気中でバッテリー電圧は2時間以内に低下した一方で、本研究のガスバリアリルムをバッテリーのパッケージングに用いることで15時間以上高い電圧を持つことができました(図4)。

在使用普通橡胶材料作为封装材料时，电池电压在大气环境中两小时内就会降低；而采用本研究的气体阻隔薄膜作为电池封装材料，电池可以维持超过15小时的高电压（图4）。

实验方法

ポリウレタンゴム上に金を成膜し、その上に液体金属をコートします。金薄膜はポリウレタンの伸縮に耐えることはできませんが、液体金属がポリウレタンゴムを被覆することでガスと水分の透過を抑制します。

在聚氨酯橡胶上形成一层金膜，并在金膜上涂布液态金属。虽然金薄膜层不能承受聚氨酯的伸缩，但通过使液态金属包裹聚氨酯橡胶，能够抑制气体和水分透过。

バッテリーの構成材料に、電極基材として多孔性SBS(styrene-butadiene-styrene)を、負極・正極活物質としてそれぞれLTO(Li₄Ti₅O₁₂)とLFP(LiFePO₄)を、セパレータとしてゲルセパレータを用い、バッテリーに伸縮性を付与しました。その上で、それぞれの材料を積層しました。最終的に、本研究で開発したガスバリアフィルムで、これら材料をパッケージングすることによりストレッチャブルリチウムイオンバッテリーを実現しました。

在电池的构成材料当中，电极基材采用了多孔性SBS（styrene-butadiene-styrene，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）；负极和正极的活性物质分别使用了LTO（(Li₄Ti₅O₁₂）和LFP（LiFePO₄）；隔膜采用了凝胶隔膜。通过采用上述物质，使电池具备了伸缩性。将各材料进行堆叠，最后采用本研究中开发的气体阻隔膜将这些材料封装起来，从而实现了可拉伸的锂离子电池。

图1.png

图1 可拉伸气体阻隔膜（左图）和锂离子电池（右图）的概念图

图2.png

图2 可拉伸气体阻隔膜的功能

a.热塑性聚氨酯（TPU）、镀金TPU（TPU/Au）、本薄膜（TPU/Au/LM）、铝封装（Al）的氧气透过性

b.铝封装、本薄膜（GBF）、TPU、硅橡胶（PDMS、Ecoflex）的水分透过性，显示每小时后密封容器内水的减少量，该值越低，透过性越高

图3.png

图3 可拉伸电池的变形能力。

a.静止状态；b.弯曲；c.扭转；D.拉伸

图4.png

图4 可拉伸电池的性能

a.静止状态下的充放电曲线；

b.50%拉力下的充放电曲线。

c.可拉伸电池每小时的电压变化，手套箱中（黑色）和空气中（蓝色）的可拉伸电池的电压，采用本研究中所开发的薄膜作为封装材料时可拉伸电池的电压（红色）。

未来发展

本研究では、社会実装に向けて大気中で使用できるストレッチャブルリチウムイオンバッテリーを実現するために伸縮可能な高ガス・水分バリアフィルムを開発しました。ストレッチャブルエレクトロニクスを最大限生かし、デバイスとして社会に提供するためには、ストレッチャブルデバイスの特性に応じた伸縮可能なバッテリーの実現が必要不可欠です。

本研究开发了可伸缩的高气体阻隔性和高水分阻隔性的薄膜，从而实现了可伸缩的锂离子电池，该电池可以在大气中使用，有望实现社会化应用。为了最大程度地发挥可拉伸电子器件的作用，向全社会提供相关设备，亟待实现能够配合可拉伸设备特性进行伸缩的电池。

本研究では、そのための試金石的研究になっています。今後、このフィルムの低コスト化を行うことでストレッチャブルバッテリー、ストレッチャブルデバイスの社会実装につながると期待されます。

本研究可谓该领域的试金石。未来，通过降低该薄膜的成本，有望对可拉伸电池和可拉伸设备的社会化应用作出贡献。

征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support@aipatent.com（请注明“AIpatent公众号”来稿）

【双语资讯】采用液态金属实现可拉伸锂离子电池