新型鋰離子電池：模仿人體脊椎，能量密度高，柔性好！

導讀

近日，美國哥倫比亞大學科研團隊開發出一種柔性鋰離子電池原型，其形狀有點像人體脊椎，具有顯著的柔性、高能量密度。無論如何彎曲和扭曲，它都能具有穩定的電壓。

背景

傳統的電子產品一般都是剛性的，無法被拉伸和彎曲，因此其應用範圍也受到了限制。然而，柔性電子一改傳統電子產品「僵硬」的形象，成為了電子產品前沿科技發展的一大重要趨勢。憑藉著可彎曲、可扭曲、可伸縮、低功耗、高舒適度、輕薄、耐用、便攜等諸多優勢，柔性電子技術與可穿戴技術等其他前沿技術交叉融合，為我們帶來一系列應用，例如：智能手錶、柔性顯示器、智能織物、智能眼鏡、皮膚貼片、感測器等。

然而，隨著柔性可穿戴設備日益變多，這些產品的供電也成為了關鍵性問題。雖然筆者曾經介紹過一系列「無需電池」自供電技術，但是目前這些技術大多處於實驗室階段，離大規模商用尚有一段距離。然而，電池本身走向柔性化，也是解決這一問題的重要手段。筆者之前介紹過許多有關柔性電池的案例。例如，美國加州大學聖迭戈分校開發的可伸縮燃料電池可以從汗液中提取能量，為LED和藍牙適配器之類的電子產品供電。

（圖片來源：加州大學聖地亞哥分校）

然而迄今為止，讓鋰離子電池同時具有良好的柔性和高能量密度，對於研究人員來說還是頗具挑戰性的。

創新

近日，美國哥倫比亞大學工學院應用物理和數學系材料科學和工程專業助理教授 Yuan Yang 領導的團隊開發的原型產品能夠應對這一挑戰。這種鋰離子電池形狀有點像人體脊椎，無論如何彎曲和扭曲，它都具有顯著的柔性、高能量密度、穩定的電壓。這一研究的相關論文發表於《高級材料》（Advanced Materials）雜誌。

（圖片來源：Yuan Yang / 哥倫比亞大學工學院）

技術

Yang 的小組正探索研究電池材料的成分和結構從而實現高性能，他受到了仰卧起坐運動時人體脊椎的柔韌性啟發。人體脊椎具有高度柔韌性、機械魯棒性且可以扭曲，因為它含有了柔軟的骨髓成分，並也可以與硬的椎骨部分互聯。Yang 使用脊椎模型設計出一個具有相似結構的電池。其原型具有厚厚的剛性部分，可以通過將以薄薄的柔性部件（「骨髓」）纏繞電極（「椎骨」），將脊椎般的電極疊層連接到一起。他的原型設計讓整個電池都具有了優異的柔性。

Yang 解釋道：「因為剛性電極部件的體積顯著大於柔性連接，這種柔性電池的能量密度高於標準商用電池的85%。因為整個結構中活性材料佔有高比例，我們設計的這種脊椎般的電池顯示出非常高的能量密度，高於任何我們所關注的其他報道中的柔性電池。因為我們受到生物啟發進行了合理設計，所以這種電池也能夠通過嚴苛的動態機械負荷測試。」

Yang 的團隊將傳統的正極/分離器/負極/分離器疊層剪成長條，讓多個「分支」可以從「脊椎主幹」上延伸出90度。然後，它們將每個分支沿著主幹包裹，形成厚厚的疊層用於存儲能量，就像脊椎中的脊椎骨一樣。

（圖片來源：Yuan Yang / 哥倫比亞大學工學院）

無論如何彎曲或者扭曲，這種電池都顯示出穩定的電壓分布。同時多次循環後，電池仍具有穩定的容量。在循環之後，團隊拆解了電池以檢查電極材料的形態學變化。他們發現正電極完好無損，沒有從鋁箔上開裂或剝落的明顯痕迹，從而確認了這項設計具有高機械穩定性。為了進一步展示這項設計的柔性，研究人員在放電期間持續地彎曲和扭曲電池，發現彎曲和扭曲都沒有打破電壓曲線。即使電池在整個放電期間持續地彎曲和扭曲，電壓分布也保持完好。在彎曲狀態下的電池也能以高電流密度循環，容量保持率相當高（三分之一小時內電量可達84%）。

（圖片來源：Yuan Yang / 哥倫比亞大學工學院）

（圖片來源：Yuan Yang / 哥倫比亞大學工學院）

電池也能夠經受得住持續的動態機械負荷測試，而這在較早的研究中沒有報道過。

（圖片來源：Yuan Yang / 哥倫比亞大學工學院）

價值

Yang 解釋道：「我們脊椎般的設計比傳統設計具有更高的機械魯棒性。我們預計，採用生物啟發的可擴展方案製造柔性鋰離子電池，能大幅推進柔性設備的商用。」

Yang 表示：「我們原型的能量高密度是目前為止所報道的產品中最高的之一。我們已經開發出一種簡單且可擴展的方案，用於製造這種脊椎般的鋰離子電池，它將具有優異的電化學和機械特性。我們的設計對於第一代柔性商用鋰離子電池來說，是非常有前途的候選方案。我們現在正在優化設計並改善性能。」

關鍵字

可穿戴技術、電池、柔性電子

參考資料

【1】http://engineering.columbia.edu/news/yuan-yang-flexible-lithium-battery

【2】Guoyu Qian, Bin Zhu, Xiangbiao Liao, Haowei Zhai, Arvind Srinivasan,
Nathan Joseph Fritz, Qian Cheng, Mingqiang Ning, Boyu Qie, Yi Li,
Songliu Yuan, Jia Zhu, Xi Chen, Yuan Yang. Bioinspired, Spine-Like, Flexible, Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density. Advanced Materials, 2018; 1704947 DOI: 10.1002/adma.201704947

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