新型锂离子电池：模仿人体脊椎，能量密度高，柔性好！

导读

近日，美国哥伦比亚大学科研团队开发出一种柔性锂离子电池原型，其形状有点像人体脊椎，具有显著的柔性、高能量密度。无论如何弯曲和扭曲，它都能具有稳定的电压。

背景

传统的电子产品一般都是刚性的，无法被拉伸和弯曲，因此其应用范围也受到了限制。然而，柔性电子一改传统电子产品“僵硬”的形象，成为了电子产品前沿科技发展的一大重要趋势。凭借着可弯曲、可扭曲、可伸缩、低功耗、高舒适度、轻薄、耐用、便携等诸多优势，柔性电子技术与可穿戴技术等其他前沿技术交叉融合，为我们带来一系列应用，例如：智能手表、柔性显示器、智能织物、智能眼镜、皮肤贴片、传感器等。

然而，随着柔性可穿戴设备日益变多，这些产品的供电也成为了关键性问题。虽然笔者曾经介绍过一系列“无需电池”自供电技术，但是目前这些技术大多处于实验室阶段，离大规模商用尚有一段距离。然而，电池本身走向柔性化，也是解决这一问题的重要手段。笔者之前介绍过许多有关柔性电池的案例。例如，美国加州大学圣迭戈分校开发的可伸缩燃料电池可以从汗液中提取能量，为LED和蓝牙适配器之类的电子产品供电。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

然而迄今为止，让锂离子电池同时具有良好的柔性和高能量密度，对于研究人员来说还是颇具挑战性的。

创新

近日，美国哥伦比亚大学工学院应用物理和数学系材料科学和工程专业助理教授 Yuan Yang 领导的团队开发的原型产品能够应对这一挑战。这种锂离子电池形状有点像人体脊椎，无论如何弯曲和扭曲，它都具有显著的柔性、高能量密度、稳定的电压。这一研究的相关论文发表于《高级材料》（Advanced Materials）杂志。

（图片来源：Yuan Yang/ 哥伦比亚大学工学院）

技术

Yang 的小组正探索研究电池材料的成分和结构从而实现高性能，他受到了仰卧起坐运动时人体脊椎的柔韧性启发。人体脊椎具有高度柔韧性、机械鲁棒性且可以扭曲，因为它含有了柔软的骨髓成分，并也可以与硬的椎骨部分互联。Yang 使用脊椎模型设计出一个具有相似结构的电池。其原型具有厚厚的刚性部分，可以通过将以薄薄的柔性部件（“骨髓”）缠绕电极（“椎骨”），将脊椎般的电极叠层连接到一起。他的原型设计让整个电池都具有了优异的柔性。

Yang 解释道：“因为刚性电极部件的体积显著大于柔性连接，这种柔性电池的能量密度高于标准商用电池的85%。因为整个结构中活性材料占有高比例，我们设计的这种脊椎般的电池显示出非常高的能量密度，高于任何我们所关注的其他报道中的柔性电池。因为我们受到生物启发进行了合理设计，所以这种电池也能够通过严苛的动态机械负荷测试。”

Yang 的团队将传统的正极/分离器/负极/分离器叠层剪成长条，让多个“分支”可以从“脊椎主干”上延伸出90度。然后，它们将每个分支沿着主干包裹，形成厚厚的叠层用于存储能量，就像脊椎中的脊椎骨一样。

（图片来源：Yuan Yang/ 哥伦比亚大学工学院）

无论如何弯曲或者扭曲，这种电池都显示出稳定的电压分布。同时多次循环后，电池仍具有稳定的容量。在循环之后，团队拆解了电池以检查电极材料的形态学变化。他们发现正电极完好无损，没有从铝箔上开裂或剥落的明显痕迹，从而确认了这项设计具有高机械稳定性。为了进一步展示这项设计的柔性，研究人员在放电期间持续地弯曲和扭曲电池，发现弯曲和扭曲都没有打破电压曲线。即使电池在整个放电期间持续地弯曲和扭曲，电压分布也保持完好。在弯曲状态下的电池也能以高电流密度循环，容量保持率相当高（三分之一小时内电量可达84%）。

（图片来源：Yuan Yang/ 哥伦比亚大学工学院）

（图片来源：Yuan Yang/ 哥伦比亚大学工学院）

电池也能够经受得住持续的动态机械负荷测试，而这在较早的研究中没有报道过。

（图片来源：Yuan Yang/ 哥伦比亚大学工学院）

价值

Yang 解释道：“我们脊椎般的设计比传统设计具有更高的机械鲁棒性。我们预计，采用生物启发的可扩展方案制造柔性锂离子电池，能大幅推进柔性设备的商用。”

Yang 表示：“我们原型的能量高密度是目前为止所报道的产品中最高的之一。我们已经开发出一种简单且可扩展的方案，用于制造这种脊椎般的锂离子电池，它将具有优异的电化学和机械特性。我们的设计对于第一代柔性商用锂离子电池来说，是非常有前途的候选方案。我们现在正在优化设计并改善性能。”