上海大学鲍垠桦课题组AFM：鳞片结构启发的高能量密度变刚度叠片式柔性锂离子电池

柔性电池是一种可以弯曲、拉伸和变形的电池，它有望为柔性设备提供储能功能，为我们的生活带来很多便利。想象一下，你可以拥有一部可以弯曲、卷起来的手机，不再担心屏幕碎裂；或者穿上一件智能衣服，柔性电池能够驱动内嵌的传感器，实时监测你的健康状况，这些应用让我们的电子产品更加便携、舒适。为了实现上述应用，有必要将电池储能和柔性设备结构的有机融合，开展多功能一体化设计。

近日，受生物鳞片结构的启发，上海大学力学与工程科学学院的鲍垠桦课题组设计并制造了一种由储能鳞片和柔性连接件组成的叠片式柔性锂离子电池。该叠片式柔性锂离子电池在40000次弯曲和200次充放电循环后，仍具有高达374Wh L-1的能量密度和93.2%的容量保持率。此外，该电池还具有变刚度机械性能。通过对电池与柔性设备的结构/储能一体化设计，可突破传统柔性锂离子电池的单一功能性，实现储能、承载和变刚度等多功能特性。相关成果以“Toward Flexible Embodied Energy: Scale-Inspired Overlapping Lithium-Ion Batteries with High-Energy-Density and Variable Stiffness”为题发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上。

【文章要点】

一、仿生设计策略及电池制造

本文中，受穿山甲鳞片结构的启发，作者将坚硬的鳞片和柔软的真皮组织类比于电池的能源存储部分和柔性连接部分(图1)，通过卷绕或堆叠电极叠片形成厚亚电芯单元部件以保持高能量密度，单层的薄电极叠片部件连接相邻亚电芯单元以保证电池柔性。随后，铝塑膜随形附着在整个电池的表面进行封装和注液，形成电池样品。同时，为了进一步提高能量密度，作者采用了NCM523三元正极材料，相较于传统的钴酸锂和磷酸铁锂电池，能量密度有进一步的提升。

图1仿生设计与制造示意图。

二、静动态弯曲条件下的电化学性能

为了验证电池的电化学性能，将该电池以0.5 C的倍率进行充放电循环。在充放电循环过程多次将电池在两个方向进行弯曲，再进行充放电循环。在40000次弯曲和200圈充放电循环后容量保持率为93.2%，平均库伦效率超过99%。同时，本文也验证了电池在动态弯曲下的电化学性能。结果表明，在超11300次动态弯曲和35次充放电循环后，容量保持率为98.3%、平均库伦效率为99.8%(图2)。说明了叠片式柔性锂离子电池无论是静态还是动态弯曲测试下都能实现较稳定的能量输出。

图2 静动态弯曲下的电池循环性能和库伦效率。

此外，为了研究多次弯曲对电极材料的影响，作者采用光学显微镜和SEM电子显微镜观测了柔性弯曲连接部分的不同区域电极表面(图3)。结果显示，在超过40000次弯曲后，负极和正极仅在A1和C1区域显示细微裂纹，其它区域没有明显的裂纹和分层现象，说明了该电池具有优异的柔性及电极结构稳定性。

图3 连接部件石墨负极和NCM523正极的光学与SEM图像。

三、变刚度机制及参数化分析

同时，作者通过对叠片式柔性电池的周期性结构单元施加弯曲周期性边界条件开展了变刚度机制的有限元数值分析（图4）。研究发现反向弯曲过程中厚电池叠片和连接部件间的关节处存在较大应力，该应力的产生会阻碍了电池进一步的反向弯曲，效果类似于一个单向扭转阻力弹簧，电池正向弯曲时，该阻力消失。此外，通过对等效弯曲刚度的参数化分析进一步揭示该电池的变刚度性能和能量密度与电池几何参数间的定量关系。

图4有限元参数化分析。

四、多功能设计应用

为了更直观展示叠片式柔性锂离子电池的实际应用前景，作者提出了该电池与柔性显示屏、双足机器人及柔性软抓手结合的多功能设计方案(图5)，展示了变刚度特性在稳定柔性屏弯曲状态，提升视觉舒适性，柔性软抓手变刚度/储能一体化设计的应用；展示了双足机器人中的柔性结构动态承载/储能一体化设计应用，有望提升柔性设备系统续航能力。

图5 叠片式柔性锂离子电池的多功能设计及应用。

五、小结

综上所述，受穿山甲鳞片的启发，本文报道了一种新型叠片式柔性锂离子电池。该电池制造简单、体积能量密度高（可达374Wh L-1）、机械性能稳定且具有变刚度特性。通过有限元分析，系统地揭示了可旋转储能叠片的保护机理和电池的变刚度机制。此外，通过结构/储能一体化设计，可有效将电池融合至各类柔性设备和柔性结构中，展现出良好的多功能特性。该电池在柔性设备结构/储能一体化工程中具有潜在的应用前景。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202301581

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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