隨著柔性器件的發(fā)展，需要設(shè)計(jì)出具有優(yōu)越的柔韌性、耐用性、安全性等的高性能電源，以確保它們可以隨器件變形，同時(shí)保留其電化學(xué)功能。 在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種受 DNA 螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)的柔性鋰離子電池。 電池結(jié)構(gòu)主要由多個(gè)用于儲(chǔ)能的厚能量堆和一些用于應(yīng)力緩沖的凹槽組成，實(shí)現(xiàn)了電池的螺旋形變形。 結(jié)果表明，即使在原位動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)載超過(guò) 31000 次后，電池的容量下降也低于 3%。 此外，進(jìn)一步揭示了具有螺旋變形能力的電池的機(jī)理。 預(yù)計(jì)這種仿生設(shè)計(jì)策略可以為柔性電池的商業(yè)化創(chuàng)造獨(dú)特的機(jī)會(huì)，并填補(bǔ)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)電池特定變形的空白，以滿足未來(lái)復(fù)雜設(shè)備設(shè)計(jì)的各種要求。
圖 1. 設(shè)計(jì)的電池結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程示意圖。 (a) DNA 螺旋結(jié)構(gòu)和受螺旋啟發(fā)的電池設(shè)計(jì)。 條帶用于儲(chǔ)能，心軸保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 (b) 在螺旋 FLIB 制造過(guò)程中，首先將多層電極切割成設(shè)計(jì)的形狀，然后將延伸的條帶纏繞在芯軸上以形成能量堆棧。
圖 2. 靜態(tài)模式下電池的電化學(xué)性能。（a）常規(guī)狀態(tài)和（b）設(shè)計(jì)電池的螺旋狀態(tài)的數(shù)碼照片。 (c) 通過(guò)每 20 次循環(huán)改變狀態(tài)（長(zhǎng)度，180 ± 5 mm；寬度，20 ± 5 mm；螺旋度，360°）獲得的電池在 220 次循環(huán)后的容量保持率和庫(kù)侖效率。 (d) 不同循環(huán)數(shù)下的恒電流充電/放電 (GCD) 曲線。 (e) 靜態(tài)螺旋配置中電流密度范圍為 0.25 至 1 C 的電池的倍率性能。
圖3.動(dòng)態(tài)模式下電池的電化學(xué)性能。 (a) FLIB 在 10000 次螺旋變形和 220 次 GCD 循環(huán)后的容量保持率和庫(kù)侖效率（長(zhǎng)度，180±5 mm；寬度，20±5 mm；螺旋度，360°）。 (b) 設(shè)計(jì)電池在螺旋形變過(guò)程中的數(shù)碼照片。 (c) 不同循環(huán)數(shù)下 FLIB 的 GCD 曲線。 (d) 螺旋變形后 FLIB 的奈奎斯特圖。
圖 4. 原位動(dòng)態(tài)模式下電池的電化學(xué)性能。 (a) 原位動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)示意圖。 FLIB 在原位動(dòng)力學(xué)操作期間 (b) 初始和 (c) 最終狀態(tài)的數(shù)碼照片。 (d) 設(shè)計(jì)電池在 31200 次原位動(dòng)態(tài)變形后的容量保持率（長(zhǎng)度，180 ± 5 mm；寬度，20 ± 5 mm；螺旋度，360°）。 (e) 不同 GCD 循環(huán)下 FLIB 的單步時(shí)間全電池電壓曲線。 (f) 與受 DNA 結(jié)構(gòu)啟發(fā)的螺旋 FLIB相比，所報(bào)道的全電池級(jí)柔性電池的容量保持率和原位機(jī)械負(fù)載循環(huán)圖。
圖 5 設(shè)計(jì)電池的合理性和安全性分析。(a) 陰極和 (b) 原位螺旋變形后分解的陽(yáng)極的 SEM 圖像。 (c) 陰極和 (d) 陽(yáng)極在螺旋形變形后的表面附著力測(cè)試。 (e) 180°和 (f) 360°螺旋應(yīng)變（心軸寬度，15 毫米；凹槽距離，5 毫米）下電池的應(yīng)變分布。陽(yáng)極在（g）180°和（h）360°螺旋應(yīng)變（芯軸寬度，15 mm；槽距，5 mm）下的多物理場(chǎng)耦合結(jié)果。 (i) 具有大約 d = 1 mm 孔損傷的 FLIB 的溫度分布（心軸寬度，15 mm；凹槽距離，5 mm）。 (j) 不同損傷下電池的溫升變化。 (k) 電池?fù)p壞后橫截面和縱向截面的電流和熱分布。 (l) 不同時(shí)間溫度隨損傷距離的變化（心軸寬度，15 mm；凹槽距離，5 mm）。
相關(guān)研究成果由哈爾濱工業(yè)大學(xué)Shuaifeng Lou和Geping Yin等人2022年發(fā)表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01820)上。原文：DNA Helix Structure Inspired Flexible Lithium-Ion Batteries with High Spiral Deformability and Long-Lived Cyclic Stability。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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