香港城大 EES：受人体关节启发的柔性锂离子电池

研究背景

近年来，电子产品需求的增长推动了柔性和高能量密度存储器件的快速发展。 柔性锂离子电池 (LIBs) 具有高能量密度和稳定的电化学性能，被认为是可穿戴电子产品最有前途的电池技术。 虽然薄膜电极和聚合物基电极的使用极大地提高了LIB的柔韧性，但存在以下问题：

（1）大多数柔性电池是由“负极-隔膜-正极”堆叠而成，其有限的变形能力和多层堆叠之间的滑动限制了LIBs的整体性能；

（2）在一些更恶劣的条件下，如折叠、拉伸、缠绕、复杂变形等，无法保证电池性能；

(3) 部分设计策略忽略了电流金属集电器的变形。

因此，同时实现其微小的弯曲角度、多种变形模式、优异的机械耐久性和高能量密度仍然面临许多挑战。

介绍

近日，香港城市大学智纯一教授和韩翠萍博士在Energy Environ发表了题为《Human Jointspired Structure Design for Bendable/Foldable/Stretchable/Twistable Battery：实现多重变形》的论文。 科学。 这项工作受到人体关节结构的启发，设计了一种类似于关节系统的柔性LIB。 基于这种新颖的设计，制备的柔性电池可以实现高能量密度，并且可以弯曲甚至折叠 180°。 同时，可以通过不同的缠绕方式改变结构结构，使柔性LIBs具有丰富的变形能力，可以应用于更剧烈和复杂的变形（缠绕和扭曲），甚至可以拉伸，其变形能力是远远超出了以前关于灵活 LIB 的报告。 有限元模拟分析证实，本文设计的电池在各种苛刻复杂的变形条件下，集电体不会发生不可逆的塑性变形。 同时，组装后的方形单体电池可实现高达371.9 Wh/L的能量密度，是传统软包电池的92.9%。 此外，即使经过200,000万次以上的动态弯曲和25,000万次的动态变形，也能保持稳定的循环性能。

进一步的研究表明，组装的圆柱形单元电池可以承受更严重和复杂的变形。 经过100,000万次以上的动态拉伸、20,000万次扭转、100,000万次弯曲变形后，仍能达到88%以上的高容量——保持率。 因此，本文提出的柔性LIB为可穿戴电子产品的实际应用提供了巨大的前景。

研究亮点

1）受人体关节启发的柔性LIB在弯曲、扭曲、拉伸和缠绕变形下都能保持稳定的循环性能；

(2)采用方形柔性电池，能量密度最高可达371.9 Wh/L，是传统软包电池的92.9%；

(3)不同的卷绕方式可以改变电池堆的形状，赋予电池足够的变形能力。

图形指南

研究表明，除了保证高体积能量密度和更复杂的变形外，结构设计还必须避免集电器的塑性变形。 有限元模拟表明，集流体的最佳方法应该是防止集流体在弯曲过程中产生较小的弯曲半径，以避免集流体发生塑性变形和不可逆损坏。

图 1a 显示了人体关节的结构，其中巧妙的较大曲面设计有助于关节平滑旋转。 基于此，图 1b 显示了一个典型的石墨阳极/隔膜/钴酸锂 (LCO) 阳极，可以缠绕成方形厚的堆叠结构。 在交界处，它由两个厚的刚性堆叠和一个柔性部分组成。 更重要的是，厚堆叠具有相当于关节骨覆盖的曲面，有助于缓冲压力并提供柔性电池的初级容量。 弹性部分充当韧带，连接厚堆叠并提供灵活性（图 1c）。 除了绕成方形堆外，还可以通过改变绕制方式来制造圆柱形或三角形电芯的电池（图1d）。 对于具有方形储能单元的柔性锂离子电池，在弯曲过程中互连的部分将沿着厚堆叠的弧形表面滚动（图1e），从而显着提高柔性电池的能量密度。 此外，通过弹性聚合物封装，具有圆柱形单元的柔性 LIB 可以实现可拉伸和柔性特性（图 1f）。

图 1 (a) 独特的韧带连接和曲面设计对于实现柔韧性至关重要； (b) 柔性电池结构及制造工艺示意图； (c) 骨骼对应于较厚的电极堆，韧带对应于展开 (D) 具有圆柱形和三角形电池的柔性电池结构； (e) 方形电池堆叠示意图； (f) 圆柱形电池的拉伸变形。

进一步使用力学模拟分析证实了柔性电池结构的稳定性。 图 2a 显示了铜箔和铝箔在弯曲成圆柱体（180° 弧度）时的应力分布。 结果表明，铜箔和铝箔的应力远低于其屈服强度，表明这种变形不会引起塑性变形。 电流金属集电器可以避免不可逆的损坏。

图2b显示了进一步增加弯曲程度时的应力分布，铜箔和铝箔的应力也小于其相应的屈服强度。 因此，该结构可以承受折叠变形，同时保持良好的耐用性。 除了弯曲变形，系统还可以实现一定程度的变形（图 2c）。

对于圆柱形单元的电池，由于圆形的固有特性，可以实现更剧烈、更复杂的变形。 因此，当电池折叠到180o（图2d，e），拉伸到原来长度的140%左右（图2f），扭曲到90o（图2g）时，可以保持机械稳定性。 此外，当弯曲+扭转和缠绕变形分别应用时，所设计的LIBs结构不会在各种严重复杂的变形下引起集电器的不可逆塑性变形。

图 2 (ac) 方形单元在弯曲、折叠和扭转下的有限元模拟结果； (di) 圆柱电池在弯曲、折叠、拉伸、扭曲、弯曲+扭曲和缠绕下的有限元模拟结果。

为了评估所设计的柔性电池的电化学性能，使用 LiCoO2 作为正极材料来测试放电容量和循环稳定性。 如图 3a 所示，方形电芯的电池在 1 C 放大倍率下平面变形弯曲、环形、折叠和扭曲后，其放电容量没有明显降低，这意味着机械变形不会导致设计柔性电池的电化学性能下降。 即使经过动态弯曲（图3c，d）和动态扭转（图3e，f），经过一定次数的循环，充放电平台和长循环性能也没有明显变化，这意味着内部结构电池保护得很好。

图3(a)方形单体电池在1C下的充放电测试； (b) 不同条件下的充放电曲线； (c, d) 动态弯曲下的电池循环性能及相应的充放电曲线； (e, f) 在动态扭转下，电池的循环性能和不同循环下相应的充放电曲线。

仿真分析结果表明，由于圆的固有特性，圆柱元件的柔性LIBs可以承受更加极端和复杂的变形。 因此，为了证明圆柱单元柔性锂离子电池的电化学性能，以1 C的速率进行了测试，结果表明当电池经历各种变形时，电化学性能几乎没有变化。 变形不会导致电压曲线发生变化（图 4a、b）。

为了进一步评估圆柱形电池的电化学稳定性和机械耐久性，它以 1 C 的速率对电池进行动态自动负载测试。研究表明，动态拉伸后（图 4c、d）、动态扭转（图 4e、f） ，以及动态弯曲+扭转（图4g，h），电池充放电循环性能和相应的电压曲线不受影响。 图 4i 显示了带有彩色储能单元的电池的性能。 放电容量从133.3 mAm g-1衰减到129.9 mAh g-1，每循环容量损失仅为0.04%，说明变形不会影响其循环稳定性和放电容量。

图 4 (a) 不同配置圆柱电芯在 1C 下的充放电循环测试； (b) 电池在不同条件下对应的充放电曲线； (c, d) 动态张力下电池的循环性能和充电放电曲线； (e, f) 动态扭转下电池的循环性能及不同循环下对应的充放电曲线； (g, h) 动态弯曲+扭转下电池的循环性能以及不同循环下对应的充放电曲线； (I) 不同配置的方形单体电池在1C下的充放电测试。

为了评估开发的柔性电池在实践中的应用，作者使用带有不同类型储能单元的全电池为一些商业电子产品供电，如耳机、智能手表、迷你电风扇、美容仪器和智能手机。 两者都足以满足日常使用，充分体现了各种柔性可穿戴电子产品的应用潜力。

图 5 将设计的电池应用于耳机、智能手表、迷你电风扇、美容设备和智能手机。 柔性电池为 (a) 耳机、(b) 智能手表和 (c) 迷你电风扇供电； (d) 为美容设备供电； (e) 在不同变形条件下，柔性电池为智能手机供电。

总结与展望

总之，这篇文章的灵感来自于人体关节的结构。 它提出了一种独特的设计方法，用于制造具有高能量密度、多变形性和耐用性的柔性电池。 与传统的柔性锂离子电池相比，这种新设计可以有效避免集电器的塑性变形。 同时，本文设计的储能单元两端预留的曲面可以有效缓解互连部件的局部应力。 此外，不同的缠绕方式可以改变电池堆的形状，赋予电池足够的变形能力。 由于设计新颖，柔性电池表现出优异的循环稳定性和机械耐久性，在各种柔性和可穿戴电子产品中具有广泛的应用前景。

文献链接

可弯曲/可折叠/可拉伸/可扭转电池的人体关节结构设计：实现多重变形。 (能源环境。 科学，2021 年，DOI：10.1039/D1EE00480H）