新型仿生柔性锂离子电池的研发

　　你没有看错，就是那个爱情圣地哥伦比亚大学，刘强东与太太章泽天、王力宏与太太李靓蕾、李云迪与女友田霏均在此相识。哥伦比亚大学在中国可以说是早有盛名，前有胡适、冯友兰、徐志摩、闻一多等这样的大家，后有李开复、杨澜等这样的名人，让哥伦比亚大学在中国可以说是家喻户晓。近年来哥伦比亚大学更是与娱乐界牵手成功，早期进军好莱坞的章子怡曾在哥伦比亚大学学习英语、张艺谋的长女张末曾在哥伦比亚大学攻读法律学位。哥大当然不仅仅有浪漫的爱情故事，哥大的科研实力也是全球顶尖的，在2018年美国新闻与世界报道(USNews&WorldReport)颁布的美国大学排名中，哥大排名第5，截止2017年共有96位诺贝尔奖获得者曾在哥大学习或工作过，哥大更曾培养出四位美国总统，其中我们最熟悉的就是奥巴马和罗斯福。今天我们要为大家介绍的科研成果就是出自哥伦比亚大学，近年来随着可穿戴设备的快速发展，对可弯曲的柔性电池的需求也快速增加，各种柔性电池的设计也是层出不穷，但是大多数柔性电池的设计都会导致锂离子电池的能量密度的大幅降低，影响可穿戴设备的续航时间。为了解决这一问题，哥伦比亚大学GuoyuQian等人受到生物脊骨结构的启发，研发了一款柔性锂电池，在保证良好的柔性的同时，还保持了高体积能量密度的优势。柔性电池的结构如上图所示，柔性的电池的基本结构可以分为一个主干，以及与主干相连的分支组成，这些分枝会围绕着主干进行卷绕，最终形成类似动物脊椎骨的结构，由主干与外电路连接。这样的结构不仅保证了电池具有良好的柔性，还极大的提高柔性电池的能量密度，在采用LiCoO2/石墨作为活性物质时，该结构的电池体积比能量可达242Wh/L。在电化学性能测试中，无论是弯曲(弯曲半径20mm，10000次)还是扭转(扭转90度1000次)的情况下该结构的电池的循环性能都没有受到影响，在0.2C倍率下循环100次，容量保持率可达94.3%，库伦效率达到99.9%。从下图c的电池电压曲线也可以看到，无论是弯曲还是扭转对于电池的电性能都没有显著的影响。柔性电池在整个寿命周期内，可能会经历数千次的弯曲和扭转，因此GuoyuQian采用机械结构对该结构的柔性电池在机械载荷下的稳定性进行了评估。从下图c可以看到，即便是在电池弯曲半径达到20mm的情况下，电池仍然能够进行稳定的充放电，容量仅出现了轻微的降低，这表明大部分活性物质在弯曲的过程中都能够保持与集流体的接触，没有出现明显的活性物质脱落。为了研究在弯曲过程中，电池内的应变分布，GuoyuQian挑选了一个最为常见的情形——作为腕带戴在手腕上，利用有限元分析工具对其内部的应变分布进行了分析，结果如下图所示。GuoyuQian发现，采用仿生结构的柔性电池在弯曲中的最大应变仅为0.08%，方形电池的应变则达到了1.8%，而Al箔和Cu箔的屈服应变分别为0.47%和0.73%，这说明采用仿生结构的柔性电池的应变都在Al箔和Cu箔可承受范围之内，而方形电池已经超出了Al箔和Cu箔的屈服极限。这说明GuoyuQian的仿生结构设计能够极大的减少电极在电池弯曲中受到的应变，减少形变对于集流体和活性物质的破坏，提升电池的循环性能。GuoyuQian的这一设计充分借鉴了动物脊柱的特点，结合锂离子电池的结构特点，通过仿生结构极大的减小了弯曲和扭转等变形对于集流体和活性物质造成的破坏，在保证电池的柔性的同时，还极大的提高了柔性电池的能量密度，提高了实用性，该电池在未来的可穿戴设备，特别是智能手表等方面有广阔的应用前景。你没有看错，就是那个爱情圣地哥伦比亚大学，刘强东与太太章泽天、王力宏与太太李靓蕾、李云迪与女友田霏均在此相识。哥伦比亚大学在中国可以说是早有盛名，前有胡适、冯友兰、徐志摩、闻一多等这样的大家，后有李开复、杨澜等这样的名人，让哥伦比亚大学在中国可以说是家喻户晓。近年来哥伦比亚大学更是与娱乐界牵手成功，早期进军好莱坞的章子怡曾在哥伦比亚大学学习英语、张艺谋的长女张末曾在哥伦比亚大学攻读法律学位。哥大当然不仅仅有浪漫的爱情故事，哥大的科研实力也是全球顶尖的，在2018年美国新闻与世界报道(USNews&WorldReport)颁布的美国大学排名中，哥大排名第5，截止2017年共有96位诺贝尔奖获得者曾在哥大学习或工作过，哥大更曾培养出四位美国总统，其中我们最熟悉的就是奥巴马和罗斯福。今天我们要为大家介绍的科研成果就是出自哥伦比亚大学，近年来随着可穿戴设备的快速发展，对可弯曲的柔性电池的需求也快速增加，各种柔性电池的设计也是层出不穷，但是大多数柔性电池的设计都会导致锂离子电池的能量密度的大幅降低，影响可穿戴设备的续航时间。为了解决这一问题，哥伦比亚大学GuoyuQian等人受到生物脊骨结构的启发，研发了一款柔性锂电池，在保证良好的柔性的同时，还保持了高体积能量密度的优势。

　　柔性电池的结构如上图所示，柔性的电池的基本结构可以分为一个主干，以及与主干相连的分支组成，这些分枝会围绕着主干进行卷绕，最终形成类似动物脊椎骨的结构，由主干与外电路连接。这样的结构不仅保证了电池具有良好的柔性，还极大的提高柔性电池的能量密度，在采用LiCoO2/石墨作为活性物质时，该结构的电池体积比能量可达242Wh/L。在电化学性能测试中，无论是弯曲(弯曲半径20mm，10000次)还是扭转(扭转90度1000次)的情况下该结构的电池的循环性能都没有受到影响，在0.2C倍率下循环100次，容量保持率可达94.3%，库伦效率达到99.9%。从下图c的电池电压曲线也可以看到，无论是弯曲还是扭转对于电池的电性能都没有显著的影响。

　　柔性电池在整个寿命周期内，可能会经历数千次的弯曲和扭转，因此GuoyuQian采用机械结构对该结构的柔性电池在机械载荷下的稳定性进行了评估。从下图c可以看到，即便是在电池弯曲半径达到20mm的情况下，电池仍然能够进行稳定的充放电，容量仅出现了轻微的降低，这表明大部分活性物质在弯曲的过程中都能够保持与集流体的接触，没有出现明显的活性物质脱落。

　　为了研究在弯曲过程中，电池内的应变分布，GuoyuQian挑选了一个最为常见的情形——作为腕带戴在手腕上，利用有限元分析工具对其内部的应变分布进行了分析，结果如下图所示。GuoyuQian发现，采用仿生结构的柔性电池在弯曲中的最大应变仅为0.08%，方形电池的应变则达到了1.8%，而Al箔和Cu箔的屈服应变分别为0.47%和0.73%，这说明采用仿生结构的柔性电池的应变都在Al箔和Cu箔可承受范围之内，而方形电池已经超出了Al箔和Cu箔的屈服极限。这说明GuoyuQian的仿生结构设计能够极大的减少电极在电池弯曲中受到的应变，减少形变对于集流体和活性物质的破坏，提升电池的循环性能。

　　GuoyuQian的这一设计充分借鉴了动物脊柱的特点，结合锂离子电池的结构特点，通过仿生结构极大的减小了弯曲和扭转等变形对于集流体和活性物质造成的破坏，在保证电池的柔性的同时，还极大的提高了柔性电池的能量密度，提高了实用性，该电池在未来的可穿戴设备，特别是智能手表等方面有广阔的应用前景。

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