隨著柔性器件的發展，需要設計出具有優越的柔韌性、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，同時保留其電化學功能。 在這里，我們設計了一種受 DNA 螺旋結構啟發的柔性鋰離子電池。 電池結構主要由多個用于儲能的厚能量堆和一些用于應力緩沖的凹槽組成，實現了電池的螺旋形變形。 結果表明，即使在原位動態機械負載超過 31000 次后，電池的容量下降也低于 3%。 此外，進一步揭示了具有螺旋變形能力的電池的機理。 預計這種仿生設計策略可以為柔性電池的商業化創造獨特的機會，并填補當前實現電池特定變形的空白，以滿足未來復雜設備設計的各種要求。
圖 1. 設計的電池結構和制造過程示意圖。 (a) DNA 螺旋結構和受螺旋啟發的電池設計。 條帶用于儲能，心軸保持結構穩定性。 (b) 在螺旋 FLIB 制造過程中，首先將多層電極切割成設計的形狀，然后將延伸的條帶纏繞在芯軸上以形成能量堆棧。
圖 2. 靜態模式下電池的電化學性能。（a）常規狀態和（b）設計電池的螺旋狀態的數碼照片。 (c) 通過每 20 次循環改變狀態（長度，180 ± 5 mm；寬度，20 ± 5 mm；螺旋度，360°）獲得的電池在 220 次循環后的容量保持率和庫侖效率。 (d) 不同循環數下的恒電流充電/放電 (GCD) 曲線。 (e) 靜態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.動態模式下電池的電化學性能。 (a) FLIB 在 10000 次螺旋變形和 220 次 GCD 循環后的容量保持率和庫侖效率（長度，180±5 mm；寬度，20±5 mm；螺旋度，360°）。 (b) 設計電池在螺旋形變過程中的數碼照片。 (c) 不同循環數下 FLIB 的 GCD 曲線。 (d) 螺旋變形后 FLIB 的奈奎斯特圖。
圖 4. 原位動態模式下電池的電化學性能。 (a) 原位動態測試系統示意圖。 FLIB 在原位動力學操作期間 (b) 初始和 (c) 最終狀態的數碼照片。 (d) 設計電池在 31200 次原位動態變形后的容量保持率（長度，180 ± 5 mm；寬度，20 ± 5 mm；螺旋度，360°）。 (e) 不同 GCD 循環下 FLIB 的單步時間全電池電壓曲線。 (f) 與受 DNA 結構啟發的螺旋 FLIB相比，所報道的全電池級柔性電池的容量保持率和原位機械負載循環圖。
圖 5 設計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極的 SEM 圖像。 (c) 陰極和 (d) 陽極在螺旋形變形后的表面附著力測試。 (e) 180°和 (f) 360°螺旋應變（心軸寬度，15 毫米；凹槽距離，5 毫米）下電池的應變分布。陽極在（g）180°和（h）360°螺旋應變（芯軸寬度，15 mm；槽距，5 mm）下的多物理場耦合結果。 (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) 電池損壞后橫截面和縱向截面的電流和熱分布。 (l) 不同時間溫度隨損傷距離的變化（心軸寬度，15 mm；凹槽距離，5 mm）。
相關研究成果由哈爾濱工業大學Shuaifeng Lou和Geping Yin等人2022年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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