近年來隨著可穿戴設備的快速發(fā)展，對可彎曲的柔性電池的需求也快速增加，各種柔性電池的設計也是層出不窮，但是大多數(shù)柔性電池的設計都會導致鋰離子電池的能量密度的大幅降低，影響可穿戴設備的續(xù)航時間。為了解決這一問題，哥倫比亞大學Guoyu Qian等人受到生物脊骨結構的啟發(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。

 

 

　　柔性電池的結構如上圖所示，柔性的電池的基本結構可以分為一個主干，以及與主干相連的分支組成，這些分枝會圍繞著主干進行卷繞，最終形成類似動物脊椎骨的結構，由主干與外電路連接。這樣的結構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/石墨作為活性物質時，該結構的電池體積比能量可達242Wh/L。

 

　　在電化學性能測試中，無論是彎曲(彎曲半徑20mm，10000次)還是扭轉(扭轉90度1000次)的情況下該結構的電池的循環(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94.3%，庫倫效率達到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，可能會經歷數(shù)千次的彎曲和扭轉，因此Guoyu Qian采用機械結構對該結構的柔性電池在機械載荷下的穩(wěn)定性進行了評估。從下圖c可以看到，即便是在電池彎曲半徑達到20mm的情況下，電池仍然能夠進行穩(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)明顯的活性物質脫落。

 

 

　　為了研究在彎曲過程中，電池內的應變分布，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部的應變分布進行了分析，結果如下圖所示。Guoyu Qian發(fā)現(xiàn)，采用仿生結構的柔性電池在彎曲中的最大應變僅為0.08%，方形電池的應變則達到了1.8%，而Al箔和Cu箔的屈服應變分別為0.47%和0.73%，這說明采用仿生結構的柔性電池的應變都在Al箔和Cu箔可承受范圍之內，而方形電池已經超出了Al箔和Cu箔的屈服極限。這說明Guoyu Qian的仿生結構設計能夠極大的減少電極在電池彎曲中受到的應變，減少形變對于集流體和活性物質的破壞，提升電池的循環(huán)性能。

 

 

　　Guoyu Qian的這一設計充分借鑒了動物脊柱的特點，結合鋰離子電池的結構特點，通過仿生結構極大的減小了彎曲和扭轉等變形對于集流體和活性物質造成的破壞，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備，特別是智能手表等方面有廣闊的應用前景。