近日🧙🏽‍♀️，力學與工程科學學院鮑垠樺副教授與中國科學院院士🩷、北京理工大學方岱寧教授，力學與工程科學學院呂浡、宋亦誠⛹🏼‍♂️、張俊乾教授等人合作⟹，在高能量密度柔性鋰離子電池方面取得重要研究進展👮🏼‍♂️♾。研究成果以“Crocodile skin inspired rigid-supple integrated flexible lithium ion batteries with high energy density and bidirectional deformability”為題，發表在國際高水平學術期刊《Energy Storage Materials》上（影響因子📓：17.789，中科院工程技術1區）。

隨著柔性電子器件及其柔性能源存儲器件的發展，柔性鋰離子電池因其輕質量♎️，可彎曲，高放電平臺，寬工作溫度範圍得到了廣泛的關註。然而，限製柔性鋰離子電池進一步商業化應用的關鍵問題之一是柔性鋰離子電池反復大變形下電池部件的機械損傷，進而影響電池電化學性能和使用壽命🚶‍♂️。為了降低柔性電池變形下的機械損傷，多數電池企業采用薄膜化結構使其具備良好可彎曲能力🍋👶🏽，但犧牲了大量的電池能量密度👱🏻，續航能力較差🍊。可見柔性電池的續航能力與變形能力存在競爭關系。盡管目前國際上不少研究人員報道了具有較高能量密度的柔性鋰離子電池🍰🧑‍🔬，但其變形能力較弱，往往只能實現單方向彎曲或折疊🦹🏿，且製造過程復雜，生產成本高💮，電池結構缺乏可拓展定製能力。因此，研究柔性鋰離子電池結構設計策略實現多向可彎曲且性能穩定的高能量密度柔性鋰離子電池具有重要的科學意義和工程應用價值。

圖1、鱷魚皮膚仿生剛柔復合雙向可彎曲高能量密度柔性鋰離子電池與電化學性能

本研究受鱷魚皮膚結構特征啟發，提出了一種新型柔性電池剛柔復合結構設計策略，並成功製造出柔性鋰離子電池樣品🧑‍💼。研究人員通過巧妙的電極卷繞或折疊方式形成陣列剛柔復合電芯結構✥。該結構具有剛性（厚）電池能量儲存部件及柔性（薄）電芯連接部件，分別類比於鱷魚皮膚中的堅韌防禦皮骨(Osteoderm)和柔軟易變形的表皮(Dermis)。該電池具有易製造、結構可拓展、高柔性和高能量密度等優勢🀄️🙋🏽‍♂️。其體積能量密度可達400.3 Wh/L（目前報道的柔性鋰離子電池最高體積能量密度）。電池在超過30000次雙向彎曲之後經，且經過200圈0.5 C充放電循環後，容量保持率仍高達92.3%。在嚴苛的動態大變形彎曲（彎曲角度60^{🤦🏼‍♂️。},等效彎曲半徑3.2 mm）下經過30圈0.5C充放電循環後依然具有93.2%的容量。論文也對電池及其部件進行了形貌實驗表征及有限元數值模擬，進一步驗證和揭示了大變形下電池結構設計對電芯的保護機理🩵。通過裁剪極片可以使電池適配於各類形狀的柔性電子器件👳🏻‍♀️🚴🏼‍♂️，具有良好的可擴展性，表明了該電池在柔性電子器件及可穿戴電子產品中具有廣泛的實際應用前景🥖。

研究得到了國家自然科學基金青年基金等資助，同時環化學院喬芸教授與南京航空航天大學張興玉講師也提供寶貴的幫助與硬件支持🤘🏽。

鮑垠樺副教授2021年入選上海市“揚帆計劃”人才項目，北京大學固體力學博士，美國馬裏蘭大學帕克分校機械工程系聯合培養博士。現主持國家自然科學基金青年科學基金一項。主要研究方向包括柔性電池結構設計與製造、柔性電池增材製造及表征🗜，全固態電池，力化耦合仿真，力-化-光耦合變色器件等。近年以第一或通訊作者在Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Energy Storage Materials, Extreme Mechanics Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Power Sources等國際知名期刊上發表論文10余篇。（撰稿🚶‍♀️‍➡️：鮑垠樺）

論文詳情：

Liu, Guanzhong, et al. "Crocodile skin inspired rigid-supple integrated flexible lithium ion batteries with high energy density and bidirectional deformability."Energy Storage Materials(2022). 47, 149-157.https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.062