近年來隨著可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，對可彎曲的柔性電池的需求也快速增加，各種柔性電池的設(shè)計也是層出不窮，但是大多數(shù)柔性電池的設(shè)計都會導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度的大幅降低，影響可穿戴設(shè)備的續(xù)航時間。為了解決這一問題，哥倫比亞大學(xué)Guoyu Qian等人受到生物脊骨結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研發(fā)了一款柔性鋰電池，在保證良好的柔性的同時，還保持了高體積能量密度的優(yōu)勢。

 

 

　　柔性電池的結(jié)構(gòu)如上圖所示，柔性的電池的基本結(jié)構(gòu)可以分為一個主干，以及與主干相連的分支組成，這些分枝會圍繞著主干進(jìn)行卷繞，最終形成類似動物脊椎骨的結(jié)構(gòu)，由主干與外電路連接。這樣的結(jié)構(gòu)不僅保證了電池具有良好的柔性，還極大的提高柔性電池的能量密度，在采用LiCoO2/石墨作為活性物質(zhì)時，該結(jié)構(gòu)的電池體積比能量可達(dá)242Wh/L。

 

　　在電化學(xué)性能測試中，無論是彎曲(彎曲半徑20mm，10000次)還是扭轉(zhuǎn)(扭轉(zhuǎn)90度1000次)的情況下該結(jié)構(gòu)的電池的循環(huán)性能都沒有受到影響，在0.2C倍率下循環(huán)100次，容量保持率可達(dá)94.3%，庫倫效率達(dá)到99.9%。從下圖c的電池電壓曲線也可以看到，無論是彎曲還是扭轉(zhuǎn)對于電池的電性能都沒有顯著的影響。

 

 

　　柔性電池在整個壽命周期內(nèi)，可能會經(jīng)歷數(shù)千次的彎曲和扭轉(zhuǎn)，因此Guoyu Qian采用機械結(jié)構(gòu)對該結(jié)構(gòu)的柔性電池在機械載荷下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。從下圖c可以看到，即便是在電池彎曲半徑達(dá)到20mm的情況下，電池仍然能夠進(jìn)行穩(wěn)定的充放電，容量僅出現(xiàn)了輕微的降低，這表明大部分活性物質(zhì)在彎曲的過程中都能夠保持與集流體的接觸，沒有出現(xiàn)明顯的活性物質(zhì)脫落。

 

 

　　為了研究在彎曲過程中，電池內(nèi)的應(yīng)變分布，Guoyu Qian挑選了一個最為常見的情形——作為腕帶戴在手腕上，利用有限元分析工具對其內(nèi)部的應(yīng)變分布進(jìn)行了分析，結(jié)果如下圖所示。Guoyu Qian發(fā)現(xiàn)，采用仿生結(jié)構(gòu)的柔性電池在彎曲中的最大應(yīng)變僅為0.08%，方形電池的應(yīng)變則達(dá)到了1.8%，而Al箔和Cu箔的屈服應(yīng)變分別為0.47%和0.73%，這說明采用仿生結(jié)構(gòu)的柔性電池的應(yīng)變都在Al箔和Cu箔可承受范圍之內(nèi)，而方形電池已經(jīng)超出了Al箔和Cu箔的屈服極限。這說明Guoyu Qian的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠極大的減少電極在電池彎曲中受到的應(yīng)變，減少形變對于集流體和活性物質(zhì)的破壞，提升電池的循環(huán)性能。

 

 

　　Guoyu Qian的這一設(shè)計充分借鑒了動物脊柱的特點，結(jié)合鋰離子電池的結(jié)構(gòu)特點，通過仿生結(jié)構(gòu)極大的減小了彎曲和扭轉(zhuǎn)等變形對于集流體和活性物質(zhì)造成的破壞，在保證電池的柔性的同時，還極大的提高了柔性電池的能量密度，提高了實用性，該電池在未來的可穿戴設(shè)備，特別是智能手表等方面有廣闊的應(yīng)用前景。