香港城大EES：受人體關節啟發的柔性鋰離子電池

研究背景

近年來，電子產品需求的不斷增長推動了柔性、高能量密度儲存裝置的快速發展。 柔性鋰離子電池 具有高能量密度和穩定電化學性能的鋰離子電池（LIB）被認為是穿戴式電子產品最有前途的電池技術。 儘管薄膜電極和聚合物電極的使用極大地提高了LIB的靈活性，但仍存在以下問題：

(1)大多數柔性電池採用「負極-隔膜-正極」的堆疊方式，其有限的變形能力和多層堆疊之間的滑移限制了鋰離子電池的整體性能；

（2）在一些較惡劣的條件下，如折疊、拉伸、纏繞、複雜變形等，無法保證電池性能；

(3)部分設計策略忽略了目前金屬收集器的變形。

因此，同時實現其微小的彎曲角度、多種變形模式、優越的機械耐久性和高能量密度仍面臨許多挑戰。

簡介

近日，香港城市大學支純一教授、韓翠萍博士在Energy Environ上發表了題為「Human jointenchantedstructuraldesignforbendable/foldable/stretchable/twistablebattery: Achievemultipledeformability」的論文。 科學。 這項工作受到人體關節結構的啟發，設計了一種類似關節系統的柔性LIB。 基於這種新穎的設計，所製備的柔性電池可以實現高能量密度，並且可以彎曲甚至180°折疊。 同時，可以透過不同的纏繞方式改變結構結構，使柔性鋰離子電池具有豐富的變形能力，可以應用於更劇烈和複雜的變形（纏繞和扭曲），甚至可以拉伸，其變形能力遠遠超出了之前關於靈活LIB的報告。 有限元素模擬分析證實，本文設計的電池在各種嚴酷複雜的變形下，電流金屬集流體不會發生不可逆的塑性變形。 同時，組裝後的方形單元電池可達到高達371.9Wh/L的能量密度，是傳統軟包電池的92.9%。 此外，即使經過200,000萬次以上動態彎曲和25,000次動態變形後，仍能保持穩定的循環性能。

進一步的研究表明，組裝好的圓柱形單元電池可以承受更嚴重、更複雜的變形。 經過100,000萬次以上動態伸展、20,000萬次扭轉、100,000萬次彎曲變形後，仍能達到88%以上的高容量——保留率。 因此，本文提出的柔性鋰離子電池為穿戴式電子產品的實際應用提供了巨大的前景。

研究亮點

1）柔性鋰離子電池，受人體關節啟發，在彎曲、扭曲、拉伸、纏繞變形下仍能保持穩定的循環性能；

（2）採用方形柔性電池，能量密度可達371.9Wh/L，是傳統軟包電池的92.9%；

(3)不同的捲繞方式可以改變電池堆的形狀，並賦予電池足夠的變形能力。

圖文指南

研究表明，結構設計除了確保高的體積能量密度和更複雜的變形外，還必須避免集流體的塑性變形。 有限元素模擬表明，集流體的最佳處理方法應是防止集流體在彎曲過程中出現較小的彎曲半徑，以避免集流體發生塑性變形和不可逆損壞。

圖1a顯示了人體關節的結構，其中巧妙的較大曲面設計有助於關節順利旋轉。 基於此，圖1b顯示了典型的石墨陽極/隔膜/鈷酸鋰（LCO）陽極，它可以捲繞成方形厚堆疊結構。 在連接處，它由兩個厚的剛性堆疊和一個柔性部分組成。 更重要的是，厚堆疊具有相當於關節骨蓋的曲面，有助於緩衝壓力並提供柔性電池的初級容量。 彈性部分充當韌帶，連接厚的堆疊並提供靈活性（圖 1c）。 除了捲繞成方堆外，還可以透過改變捲繞方法來製造圓柱形或三角形電芯的電池（圖1d）。 對於具有方形儲能單元的柔性鋰離子電池，在彎曲過程中，互連的片段將沿著厚電池堆的弧形表面滾動（圖1e），從而顯著提高柔性電池的能量密度。 此外，透過彈性聚合物封裝，具有圓柱形單元的柔性LIB可以實現可拉伸和柔性的特性（圖1f）。

圖1（a）獨特的韌帶連接和曲面設計對於實現靈活性至關重要； (b)柔性電池結構及製造流程示意圖； (c) 骨骼對應於較厚的電極堆，韌帶對應於展開的 (D) 具有圓柱形和三角形電池的柔性電池結構； (e)方形電池片堆疊示意圖； (f) 圓柱形電池的拉伸變形。

進一步利用力學模擬分析證實了柔性電池結構的穩定性。 圖2a顯示了銅箔和鋁箔彎曲成圓柱體（180°弧度）時的應力分佈。 結果表明，銅箔和鋁箔的應力遠低於其屈服強度，表明這種變形不會引起塑性變形。 目前的金屬集電器可以避免不可逆的損壞。

圖2b顯示了彎曲程度進一步增加時的應力分佈，銅箔和鋁箔的應力也小於其相應的屈服強度。 因此，該結構能夠承受折疊變形，同時保持良好的耐久性。 除了彎曲變形外，系統還可以實現一定程度的扭曲（圖2c）。

對於圓柱形單元的電池，由於圓形的固有特性，可以實現更劇烈、更複雜的變形。 因此，當電池折疊至180o（圖2d，e），拉伸至原始長度的約140%（圖2f），並扭轉至90o（圖2g）時，它可以保持機械穩定性。 此外，當彎曲+扭轉和纏繞變形單獨施加時，所設計的LIB結構在各種劇烈且複雜的變形下不會導致集電體不可逆的塑性變形。

圖2(ac)方形電池在彎曲、折疊和扭曲作用下的有限元素模擬結果； (di) 圓柱形電池在彎曲、折疊、拉伸、扭轉、彎曲+扭轉和纏繞下的有限元素模擬結果。

為了評估所設計的柔性電池的電化學性能，採用LiCoO2作為正極材料來測試放電容量和循環穩定性。 如圖3a所示，方形電芯的電池在1C倍率下進行平面變形彎曲、打圈、折疊、扭曲後，放電容量並未明顯降低，這意味著機械變形不會導致設計柔性電池電化學性能下降。 即使經過動態彎曲（圖3c，d）和動態扭轉（圖3e，f），以及經過一定次數的循環後，充放電平台和長循環性能都沒有明顯的變化，這意味著內部結構電池得到很好的保護。

圖3(a)方形單體電池在1C下充放電測試； (b)不同條件下的充放電曲線； (c、d)動態彎曲下的電池循環性能及對應的充放電曲線； (e,f)動態扭轉下電池的循環性能以及不同循環下對應的充放電曲線。

模擬分析結果表明，由於圓形的固有特性，圓柱形單元的柔性鋰離子電池可以承受更極端、更複雜的變形。 因此，為了證明圓柱形單元柔性鋰離子電池的電化學性能，以1C的倍率進行測試，結果表明，當電池經歷各種形變時，電化學性能幾乎沒有變化。 變形不會造成電壓曲線的變化（圖4a、b）。

為了進一步評估圓柱形電池的電化學穩定性和機械耐久性，他們對電池進行了1 C速率的動態自動負載測試。研究表明，在動態拉伸（圖4c，d）後，動態扭轉（圖4e ，f） 、動態彎曲+扭轉（圖4g、h），電池充放電循環性能及對應的電壓曲線不受影響。 圖 4i 顯示了具有彩色儲能單元的電池的性能。 放電容量從133.3 mAm g-1衰減到129.9 mAh g-1，每次循環容量損失僅為0.04%，顯示變形不會影響其循環穩定性和放電容量。

圖4(a)不同配置圓柱電池在1C下的充放電循環測試； (b)不同條件下電池對應的充放電曲線； (c、d)動態張力下電池的循環性能與充電放電曲線； (e、f)動態扭轉下電池的循環性能以及不同循環下對應的充放電曲線； (g，h)電池在動態彎曲+扭轉下的循環性能以及不同循環下對應的充放電曲線； (一)不同配置方形單體電池1C充放電測試。

為了評估所開發的柔性電池在實際中的應用，作者使用具有不同類型儲能單元的全電池為一些商用電子產品供電，例如耳機、智慧手錶、迷你電風扇、美容儀和智慧型手機。 兩者都足以滿足日常使用，充分體現了各種柔性穿戴電子產品的應用潛力。

圖5將設計的電池應用於耳機、智慧手錶、迷你電風扇、美容設備和智慧型手機。 柔性電池為(a)耳機、(b)智慧手錶、(c)迷你電風扇供電； (d) 為美容設備供電； (e)在不同變形條件下，柔性電池為智慧型手機供電。

總結與展望

綜上所述，這篇文章的靈感來自於人體關節的結構。 它提出了一種獨特的設計方法來製造具有高能量密度、多重變形能力和耐用性的柔性電池。 與傳統的柔性鋰離子電池相比，這種新設計可以有效避免目前金屬集流體的塑性變形。 同時，本文設計的儲能單元兩端預留的曲面可以有效緩解互連部件的局部應力。 此外，不同的捲繞方法可以改變電堆的形狀，並賦予電池足夠的變形能力。 此柔性電池由於新穎的設計而表現出優異的循環穩定性和機械耐久性，在各種柔性穿戴電子產品中具有廣泛的應用前景。

文獻連結

受人體關節啟發的可彎曲/可折疊/可拉伸/可扭轉電池的結構設計：實現多重變形。 （能源環境。 科學，2021 年，DOI：10.1039/D1EE00480H)