上海大学鲍垠桦&北理工方岱宁院士EnSM: 鳄鱼皮肤仿生刚柔复合双向可弯曲高能量密度柔性锂离子电池

随着柔性电子器件及柔性便携式设备的发展，柔性能源存储设备尤其是柔性锂离子电池得到了广泛的关注。然而，限制柔性锂离子电池应用的关键问题在于电池反复弯曲变形会加速电池机械故障并破坏电池组件，进而影响电池系统稳定性，降低柔性电池的使用寿命。柔性锂离子电池的能量密度和柔性往往存在竞争关系，为使电池具备良好的柔性，需要牺牲大量的能量密度，例如柔性薄膜电池。高能量密度柔性电池往往只能实现单方向的弯曲或折叠，制造过程繁琐，且缺乏可扩展性，难以满足实际柔性电子设备的续航需求。因此，通过力学结构设计实现稳定且多向可弯曲的高能量密度柔性锂离子电池受到越来越多的研究人员关注。

【工作介绍】

近日，上海大学力学与工程科学学院鲍垠桦副教授（通讯作者）与上海大学双聘院士，北京理工大学方岱宁教授（通讯作者）等研究人员合作在Energy Storage Materials 上在线发表了题为“Crocodile skin inspired rigid-supple integrated flexible lithium ion batteries with high energy density and bidirectional deformability”的研究论文。本文受鳄鱼皮肤结构特点启发，设计了一种易制造、可拓展、刚柔复合式高能量密度的双向可弯曲柔性电池。并通过静态和动态弯曲电化学测试，验证了电池在大变形下稳定的电化学性能；通过光学和电子显微镜的形貌表征，展现了弯曲部位电极表面的结构稳定性；通过有限元数值仿真揭示了其柔性变形机理；并通过实际产品展示，进一步展示了该电池的实用价值和应用前景。上海大学刘冠中博士为本论文第一作者，上海大学力学与工程科学学院吕浡副研究员，宋亦诚和张俊乾教授，环境与化学工程学院乔芸教授以及南京航空航天大学航空学院张兴玉讲师参与本项目合作研究。

【内容表述】

本文通过对鳄鱼皮肤的仿生，坚韧的抵御外界的皮骨类比于电池的刚性部件，柔软易变形的皮肤类比于电池柔性部件，设计了一种刚柔复合式的柔性锂离子电池（图1）。具体地，该电池通过卷绕或堆叠的厚电极部件（刚）存储电池能量，而其中的薄电极部件（柔）具有可弯曲性。这种方案在牺牲少量的能量密度的情况下可以使电池具备优异的可弯曲性。同时，为了进一步提高能量密度，作者采用了NCM523三元正极材料，相较于传统的钴酸锂和磷酸铁锂电池，能量密度有了进一步的提升。

图1 刚柔复合柔性锂离子电池的仿生设计与制造过程。(a)鳄鱼皮肤组织与电池结构的类比。(b)电池制造过程。

1. 刚柔复合式柔性锂离子电池的电化学性能

为了验证电池的电化学性能，首先将电池在两个方向上各弯曲12000次后，以0.5 C的倍率进行充放电循环，并重复进行类似步骤，总弯曲次数超过30000次，200圈充放电循环后容量保持率为92.3%，平均库伦效率超过99.9%。（图2）进一步地，验证了电池在动态弯曲下（两种不同弯曲角度）的电化学性能。结果表明，电池在弯曲角度130°（情况1）时与弯曲角度为60°（情况2）时，电化学性能基本相同。其中，在情况2下，30圈0.5C循环后，容量保持率为93.2%，平均库伦效率为99.3%。（图3）

图2 静态弯曲测试：电池的循环性能和库伦效率

图3 动态弯曲测试：弯曲角度为130°（情况1）和60°（情况2）下电池的循环性能和库伦效率

同时，作者也在高温55℃和不同充放电倍率下分别测试电池充放电性能，结果表明，电池在50圈0.5 C后容量保持率为98.5%，可在高温下维持稳定的放电功率；同时电池经过1 C，2 C，和3 C充放电后，电池可以基本回复到初始容量，说明电池在不同倍率下也具有稳定的电化学性能。（图4）

图4 电池在55°下的循环性能和库伦效率以及电池的倍率性能

2. 电极材料在多次弯曲充放电循环后的表征

为了研究多次弯曲对电极材料的影响，作者采用光学显微镜和SEM电子显微镜观测了柔性弯曲部分的电极表面。（图5）结果显示，电极表面无明显裂纹，说明了该结构具有优异的柔性及电池稳定性。

图5 弯曲30000次后，柔性弯曲部分电极的SEM图

3. 有限元数值分析揭示力学机理

同时，作者利用有限元数值模型进一步验证和分析了弯曲处的电极的应力应变均远低于材料的断裂应力应变，揭示了刚柔复合结构保护电极材料不受弯曲等大变形影响的机理，并定量给出了此类电池的有效刚度和相对能量密度的关系。（图6）

图6 有限元电池模型在弯曲90°时的主应变云图以及不同结构参数下电池有效刚度和相对能量密度的关系。

4. 电池的应用展示

为了更直观展示电池的实际应用前景，作者分别将电池与LED灯和柔性电子屏连接，可以看到，在电池的动态弯曲下，两个设备均正常稳定工作。（图7）

图7 电池点亮LED灯和柔性显示屏的应用展示。

【结论】

综上所述，受鳄鱼皮肤的启发，作者提出了一种新型刚柔复合的柔性锂离子电池，该电池制造简单，只涉及少量的切割和卷绕工序。该电池的能量密度可达400.3 Wh/L。电池在30000次双向弯曲之后，200圈0.5C充放电循环后，容量保持率高达92.3%。更重要的是在严苛的动态大变形弯曲（弯曲角度60°）下经过30圈0.5C充放电循环后依然具有93.2%的容量。经过形貌表征和有限元仿真进一步验证和揭示了电池结构在大变形下的保护机理，参数化分析也为后续结构的优化提供了指导。同时，在与实际产品集成中，作者设计的刚柔复合柔性锂离子电池能够满足柔性显示屏等设备的供能需求。而且，可定制化的裁剪极片可以适用于不同形状设备，具有优异的可扩展性，表明了该电池在柔性和可穿戴电子产品中具有广泛且良好的实际应用前景。

Guanzhong Liu, Xing-yu Zhang, Bo Lu, Yicheng Song, Yun Qiao, Xufeng Guo, Shenqi Ao, Junqian Zhang, Daining Fang*, Yinhua Bao*, Crocodile skin inspired rigid-supple integrated flexible lithium ion batteries with high energy density and bidirectional deformability. Energy Storage Materials, 

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.062

作者简介：

方岱宁中国科学院院士，美国国家工程院外籍院士，美国机械工程师学会会士，材料与结构力学领域专家。现任中国力学学会理事长，国际应用力学学会主席，国际理论与应用力学联合会（IUTAM）理事。现任北京理工大学教授，北京理工大学先进结构技术研究院名誉院长兼首席科学家，上海大学双聘院士。主要研究方向包括力电磁热多场耦合作用下先进材料与结构的力学理论、计算与实验方法，轻质多功能复合材料力电磁热多场多尺度计算力学方法与设计制备方法，先进新能源材料相关技术研究等。现任/曾任《固体力学学报》中英文版主编，ASME Journal of Applied Mechanics、Experimental Mechanics、Science China Technological Sciences、International Journal of Aerospace and Lightweight Structures、Nano Materials Science等期刊副主编，Proceedings of the Royal Society A、Nanotechnology Reviews等期刊编委，以及十多个国内外知名期刊的副主编与编委。荣获国家自然科学奖二等奖2项、国家科技进步奖1项，教育部“高等学校自然科学奖”一等奖3项、技术发明一等奖2项，并获得何梁何利科技进步奖和徐芝纶力学奖等多项奖励。目前，授权国家发明专利40多项，已出版中英文学术专著5部，SCI他引5000余次，在国内外顶级期刊发表学术论文500多篇，连续七年获评Elsevier中国高被引学者。

鲍垠桦 上海大学力学与工程科学学院副教授，北京大学固体力学博士，美国马里兰大学帕克分校机械工程系联合培养博士，上海市“扬帆计划”人才项目获得者。主持国家自然科学基金青年科学基金一项。主要研究方向包括柔性电池结构设计与制造、柔性电池增材制造及表征，全固态电池，力化耦合仿真，力-化-光耦合变色器件等。近年以第一作者与通讯作者在Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Energy Storage Materials, Extreme Mechanics Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Power Sources等国际知名期刊上发表论文10余篇。