哥大楊遠Adv.Mater.專訪： 新成果讓我們離柔性鋰電池更近一步

【引言】
柔性電子器件在通信、醫療健康和傳感器等領域有著廣泛應用。作為電子設備中的能量來源，高性能柔性電池對其發揮著不可或缺的作用。然而，兼顧高能量密度的同時保持電極良好的柔性，成為了柔性電池面臨的主要挑戰之一。

近年來，有關該問題的解決方案報道甚多。例如，單層的和超薄的電池能極大提高柔性，但是當封裝時其能量密度將有所降低。線狀的電池易于扭曲、打結和編織，但是低活性物質負載量大大降低了其能量密度。為了提高能量密度，有研究者提出先制備出小尺寸電池單元，再將其堆疊結合于串聯結構上，通過不同單元之間的間隙實現其良好的柔性。但是該方法不僅增加成本，也降低了器件的穩定性和一致性，限制了實際應用。總之，魚與熊掌不可兼得。

【成果簡介】
近日，來自美國哥倫比亞大學的楊遠教授團隊在著名期刊Advanced Materials上發表了題為Bioinspired, Spine-Like, Flexible, Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density的文章。該文章受動物脊柱擁有良好機械強度和柔性的啟示，報道了一種可大規模制備高能量密度柔性鋰離子電池的方法：通過將厚的、剛性部分沿軸向環繞起來(對應脊椎)以此儲存能量，而薄的、不環繞的柔性部分(對應骨髓和椎間盤)用于連接“脊椎”，從而實現了整個器件的良好柔性和高能量密度。由于剛性電極部分的體積遠大于柔性連接部分，占據電芯體積的90%以上，其整體電池的能量密度可達242Wh/L。合理的仿生設計使得其通過了強動力機械負荷測試。并且，力學模擬結果表明，電池連接處最大應變為0.08%，比傳統堆疊狀電池的1.1%明顯要小。錢果裕和朱斌為本研究共同第一作者，哥倫比亞大學楊遠教授為通訊作者。該工作還得到了哥倫比亞大學陳曦教授、華中科技大學袁松柳教授、南京大學朱嘉教授的支持。

【通訊作者專訪】
楊遠教授接受了材料人的獨家專訪，以下為專訪內容。

材料人：您在論文中提到脊柱型柔性鋰離子電池的能量密度已達242 Wh/L，可以談一下在這項數據上，此次提升的價值，以及與最終理想的柔性電池相比的差距么？

楊遠教授：我們在文獻中沒有查到比我們更高的報道，業界的一些資料顯示一些正在開發的成品柔性電池密度在200-250 Wh/L之間，所以說我相信我們的結果是非常好的。而且經過進一步的優化，我相信我們的策略在保持柔性的同時，能量密度可以到400 Wh/L以上。我認為最終的理想柔性電池應該能達到傳統包裝方式電池的能量密度的80%以上，比如500 Wh/L，同時具有高柔性，例如彎折到手腕半徑10000次以上，兼具高安全性。

材料人：相比之目前學界報道的柔性電池，和現有商用的成品柔性電池，脊柱型電池的突破性在哪里？
楊遠教授：我們的電池在0.5C放電時，動態彎折下電壓輸出仍然非常穩定，變化小于3mV，能達到這個水平的非常少；同時保證了高能量密度, 242 Wh/L只是在沒有優化的電極情況下，優化后我們覺得能增加到400Wh/L甚至更高。

材料人：目前的柔性儲能器件通常有這樣的問題：如若反復彎折或突然劇烈彎折容易造成器件性能急劇下降或者 “假死” 。您在成果中介紹該電池可以在充放電過程中承受劇烈的機械形變，請問您是如何解決動態下器件的電化學性能穩定性的呢？
楊遠教授：性能下降和假死一般是由于彎折過程中局部應力很大，電極材料和金屬集流體脫落造成的，從而導致電池內阻增加。 這種應力增加在越厚的電池中越顯著。我們的設計中電池大部分區域（脊椎）是厚的，小部分區域（椎間盤）是薄的。而彎折是集中在薄的區域，這樣由于厚度薄，應力本身不大，其次即使應力造成一定影響，影響的區間也十分有限，從而對電流電壓穩定影響很小。

材料人：當前能夠大范圍工業化量產柔性鋰離子電池仍然是一項艱巨的任務。從這個角度，您可以談一下這項成果對于柔性電池產業化的推動作用么？
楊遠教授：我們展現了一種新的生產柔性電池的方法、同時通過模擬理解了電池中應力的分布以及柔性的原因。這一工作可以作為產業化的一個方向。 我們現在也在申請基金，希望能推動產業化。

材料人：請問您是在怎樣的背景下決定從事這個研究方向的？
楊遠教授：我一直對具有特殊功能的電池感興趣。在博士期間曾今研究過透明電池和紙電池。柔性電池對于很多電子產品用處很大，特別是智能手表、手環，這也是我研究的初衷。

材料人：未來您的研究重點會放在哪個或哪些方向上？
楊遠教授：柔性電池是一個方向，此外我的實驗室在固態電池、先進表征技術上也有很多研究。

【圖文導讀】
圖一：脊柱型電池的結構構造及其制備

a) 仿生設計示意圖；
b) 電池裝配過程。

圖二：不同形態下的電化學性能

a) 不同形態下的充放電循環測試；
b) 平放、彎折、扭曲狀態下的電池特寫；
c) 彎折10000次后正極材料LiCoO2的SEM圖；
d) 倍率性能。

圖三：動態力學負載測試

a) 自制的柔性測試儀示意圖；
b) 不同力學負載測試下的電池特寫；
c) 動態力學負載測試下的循環性能；
d) 恒流充放電曲線圖；
e) 傳統電池在動態力學負載測試中的電壓抖動；

圖四：實際電子器件供電性能展示

a) 不同形態下給LED供電圖；
b) 不同形態下給智能手表供電圖。

圖五：脊柱型電池的力學模擬

a) 力學計算原理圖；
b) 相對彎曲效率(k/k0)-電池間距函數變化圖；
c) 脊柱型電池與傳統卷繞式、堆疊式電池彎折后所受應力的有限元模擬；
d) 脊柱型電池扭曲后所受應力的有限元模擬。

【小結】
研究人員采用仿生學原理研發的脊柱型鋰離子電池，兼具高能量密度和良好的機械柔性，以及裝配簡單、可大規模量產等優點，其能量密度可達同體積傳統卷繞式電池的85%。盡管歷經大曲率彎折、扭曲，但其在0.2C電流密度下循環100次后，容量保持率仍有94.3%。在動態力學負載測試中電池仍有良好的能量輸出和循環特性。力學模擬表明其脊柱狀結構彎折后僅受0.08%的應力變化，遠小于傳統類型的電池。

文獻鏈接: Bioinspired, Spine-Like, Flexible, Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density (Adv.Mater: 10.1002/adma.201704947)

【通訊作者及課題組介紹】

楊遠，現任哥倫比亞大學應用物理系和應用數學系助理教授。2007年于北京大學物理學院獲學士學位，2012年于斯坦福大學材料科學與工程系獲博士學位，隨后在麻省理工學院機械系從事博士后研究工作，2015年加盟哥倫比亞大學。

Yuan Yang課題組主要從事電化學材料和能量儲存裝置，熱能收集和熱管理的研究。在鋰電池領域，課題組的主要集中于固態電解質、柔性鋰電池、電池的先進表征技術的探索。

具體內容可參考課題組網站:

http://blogs.cuit.columbia.edu/yanggroup/

課題組內文獻

1.Zhai, P. Xu, M. Ning, Q. Cheng, J. Mandal, and Y. Yang*, A Flexible Solid Composite Electrolyte with Vertically Aligned and Connected Ion-Conducting Nanoparticles for Lithium Batteries. Nano Letters, 17 (5), 3182–3187 (2017).

2.Qiao, Z. Zhou, Z. Chen, S. Du, Q. Cheng, H. Zhai, N. Fritz, Q. Du, Y. Yang*, Visualizing Ion Diffusion in Battery Systems by Fluorescence Microscopy: A Case Study on the Dissolution of LiMn2O4. Nano Energy, 45, 68 (2017)

3.Mandal, D. Wang, A. Overvig, N. Shi, D. Paley, A. Zangiabadi, Q. Cheng, K. Barmak, N. Yu*, and Y. Yang*, Scalable, Low-temperature ‘Dip-and-dry’ Technique to Fabricate Plasmonic Selective Absorber for High-efficiency Solar-thermal Energy Conversion. Advanced Materials, 29, 1702156 (2017)

4.Gao, S. Lee*, Y. Yang*, Thermally Regenerative Electrochemical Cycle for Low-grade Heat Harvesting. ACS Energy Letters, 2, 2326 (2017)

本文由材料人新能源組Jespen供稿，材料人整理編輯。

感謝論文第一作者錢果裕博士、通訊作者哥倫比亞大學楊遠教授對本文的斧正。