哥大杨远Adv.Mater.专访： 新成果让我们离柔性锂电池更近一步

【引言】
柔性电子器件在通信、医疗健康和传感器等领域有着广泛应用。作为电子设备中的能量来源，高性能柔性电池对其发挥着不可或缺的作用。然而，兼顾高能量密度的同时保持电极良好的柔性，成为了柔性电池面临的主要挑战之一。

近年来，有关该问题的解决方案报道甚多。例如，单层的和超薄的电池能极大提高柔性，但是当封装时其能量密度将有所降低。线状的电池易于扭曲、打结和编织，但是低活性物质负载量大大降低了其能量密度。为了提高能量密度，有研究者提出先制备出小尺寸电池单元，再将其堆叠结合于串联结构上，通过不同单元之间的间隙实现其良好的柔性。但是该方法不仅增加成本，也降低了器件的稳定性和一致性，限制了实际应用。总之，鱼与熊掌不可兼得。

【成果简介】
近日，来自美国哥伦比亚大学的杨远教授团队在著名期刊Advanced Materials上发表了题为Bioinspired, Spine-Like, Flexible, Rechargeable Lithium-Ion Batteries with High Energy Density的文章。该文章受动物脊柱拥有良好机械强度和柔性的启示，报道了一种可大规模制备高能量密度柔性锂离子电池的方法：通过将厚的、刚性部分沿轴向环绕起来(对应脊椎)以此储存能量，而薄的、不环绕的柔性部分(对应骨髓和椎间盘)用于连接“脊椎”，从而实现了整个器件的良好柔性和高能量密度。由于刚性电极部分的体积远大于柔性连接部分，占据电芯体积的90%以上，其整体电池的能量密度可达242Wh/L。合理的仿生设计使得其通过了强动力机械负荷测试。并且，力学模拟结果表明，电池连接处最大应变为0.08%，比传统堆叠状电池的1.1%明显要小。钱果裕和朱斌为本研究共同第一作者，哥伦比亚大学杨远教授为通讯作者。该工作还得到了哥伦比亚大学陈曦教授、华中科技大学袁松柳教授、南京大学朱嘉教授的支持。

【通讯作者专访】
杨远教授接受了材料人的独家专访，以下为专访内容。

材料人：您在论文中提到脊柱型柔性锂离子电池的能量密度已达242 Wh/L，可以谈一下在这项数据上，此次提升的价值，以及与最终理想的柔性电池相比的差距么？

杨远教授：我们在文献中没有查到比我们更高的报道，业界的一些资料显示一些正在开发的成品柔性电池密度在200-250 Wh/L之间，所以说我相信我们的结果是非常好的。而且经过进一步的优化，我相信我们的策略在保持柔性的同时，能量密度可以到400 Wh/L以上。我认为最终的理想柔性电池应该能达到传统包装方式电池的能量密度的80%以上，比如500 Wh/L，同时具有高柔性，例如弯折到手腕半径10000次以上，兼具高安全性。

材料人：相比之目前学界报道的柔性电池，和现有商用的成品柔性电池，脊柱型电池的突破性在哪里？
杨远教授：我们的电池在0.5C放电时，动态弯折下电压输出仍然非常稳定，变化小于3mV，能达到这个水平的非常少；同时保证了高能量密度, 242 Wh/L只是在没有优化的电极情况下，优化后我们觉得能增加到400Wh/L甚至更高。

材料人：目前的柔性储能器件通常有这样的问题：如若反复弯折或突然剧烈弯折容易造成器件性能急剧下降或者 “假死” 。您在成果中介绍该电池可以在充放电过程中承受剧烈的机械形变，请问您是如何解决动态下器件的电化学性能稳定性的呢？
杨远教授：性能下降和假死一般是由于弯折过程中局部应力很大，电极材料和金属集流体脱落造成的，从而导致电池内阻增加。 这种应力增加在越厚的电池中越显著。我们的设计中电池大部分区域（脊椎）是厚的，小部分区域（椎间盘）是薄的。而弯折是集中在薄的区域，这样由于厚度薄，应力本身不大，其次即使应力造成一定影响，影响的区间也十分有限，从而对电流电压稳定影响很小。

材料人：当前能够大范围工业化量产柔性锂离子电池仍然是一项艰巨的任务。从这个角度，您可以谈一下这项成果对于柔性电池产业化的推动作用么？
杨远教授：我们展现了一种新的生产柔性电池的方法、同时通过模拟理解了电池中应力的分布以及柔性的原因。这一工作可以作为产业化的一个方向。 我们现在也在申请基金，希望能推动产业化。

材料人：请问您是在怎样的背景下决定从事这个研究方向的？
杨远教授：我一直对具有特殊功能的电池感兴趣。在博士期间曾今研究过透明电池和纸电池。柔性电池对于很多电子产品用处很大，特别是智能手表、手环，这也是我研究的初衷。

材料人：未来您的研究重点会放在哪个或哪些方向上？
杨远教授：柔性电池是一个方向，此外我的实验室在固态电池、先进表征技术上也有很多研究。

【图文导读】
图一：脊柱型电池的结构构造及其制备

a) 仿生设计示意图；
b) 电池装配过程。

图二：不同形态下的电化学性能

a) 不同形态下的充放电循环测试；
b) 平放、弯折、扭曲状态下的电池特写；
c) 弯折10000次后正极材料LiCoO2的SEM图；
d) 倍率性能。

图三：动态力学负载测试

a) 自制的柔性测试仪示意图；
b) 不同力学负载测试下的电池特写；
c) 动态力学负载测试下的循环性能；
d) 恒流充放电曲线图；
e) 传统电池在动态力学负载测试中的电压抖动；

图四：实际电子器件供电性能展示

a) 不同形态下给LED供电图；
b) 不同形态下给智能手表供电图。

图五：脊柱型电池的力学模拟

a) 力学计算原理图；
b) 相对弯曲效率(k/k0)-电池间距函数变化图；
c) 脊柱型电池与传统卷绕式、堆叠式电池弯折后所受应力的有限元模拟；
d) 脊柱型电池扭曲后所受应力的有限元模拟。

【小结】
研究人员采用仿生学原理研发的脊柱型锂离子电池，兼具高能量密度和良好的机械柔性，以及装配简单、可大规模量产等优点，其能量密度可达同体积传统卷绕式电池的85%。尽管历经大曲率弯折、扭曲，但其在0.2C电流密度下循环100次后，容量保持率仍有94.3%。在动态力学负载测试中电池仍有良好的能量输出和循环特性。力学模拟表明其脊柱状结构弯折后仅受0.08%的应力变化，远小于传统类型的电池。

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

【通讯作者及课题组介绍】

杨远，现任哥伦比亚大学应用物理系和应用数学系助理教授。2007年于北京大学物理学院获学士学位，2012年于斯坦福大学材料科学与工程系获博士学位，随后在麻省理工学院机械系从事博士后研究工作，2015年加盟哥伦比亚大学。

Yuan Yang课题组主要从事电化学材料和能量储存装置，热能收集和热管理的研究。在锂电池领域，课题组的主要集中于固态电解质、柔性锂电池、电池的先进表征技术的探索。

具体内容可参考课题组网站:

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

课题组内文献

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组Jespen供稿，材料人整理编辑。

感谢论文第一作者钱果裕博士、通讯作者哥伦比亚大学杨远教授对本文的斧正。