东南大学，ESM观点

第一作者：李嘉明

通讯作者：吕之阳

单位：东南大学

随着柔性电子设备、可穿戴设备和植入式医疗设备的迅速发展，相关应用对高性能变形电池的需求日益增加。为此，研究者探索了多种新型结构设计，如折纸结构、纤维电池和波浪结构，以提高电极的可变形性。借鉴自然界的启示，仿生结构设计展现了显著的潜力，能够有效提升电极的可变形性及电化学性能。此外，微观结构上的仿生设计可以提高电极的电化学性能。例如，树木内部垂直微通道已被证明可以缩短离子传输间距，促进离子传输并缓解体积变化，从而显著提高电极电化学性能。3D打印技术凭借其高精度、设计灵活性和低材料浪费等优势，为电池设计和制造提供了巨大的潜力。该技术能够实现微米尺度、高度定制和高纵横比的电极设计，尤其适用于仿生结构电极的制造。然而，尽管3D打印在增强电极变形能力方面取得了进展，但这些改进往往会降低电极的面载量，通常限制在15%左右，从而导致面容量的降低。

为解决变形能力与面容量难以兼得的问题，东南大学吕之阳教授团队近日在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“3D printing of multiscale biomimetic structural electrodes: achieving ultrahigh deformability and areal capacity for Li-ion batteries”的研究论文。该研究利用定向冷冻辅助3D打印技术，制备了兼具宏观蛇形结构和微观垂直定向孔结构的多尺度仿生电极。该设计显著提升了电极的可变形能力与结构稳定性，实现了300%的拉伸，180°的扭转以及360°的弯曲，同时保持高达65%的面积利用率。与非定向电极相比，定向孔结构显著改善了电极的比容量、循环稳定性和倍率性能。基于此结构组装的锂离子全电池，在各种变形状态下均可稳定驱动LED，并通过串联电池实现表带-电池一体化集成功能。

图1：多尺度仿生结构电极的设计与制造以及3D打印墨水的流变特性。

图2：3D打印可变形电极的表面和横截面形貌的SEM表征。

图3：蛇形宏观结构的可变形性展示与表征。

图4：仿生垂直定向孔结构的可变形性验证及表征。

图5：3D打印电极的电化学性能。

图6：3D打印全电池的电池性能及应用展示。

通过对电极的宏观与微观结构进行多尺度设计，提升其电化学性能与可变形能力。蛇形宏观结构方面优于其他结构可变形能力；微观层面，垂直定向孔结构较非定向孔结构显著提高了离子传输能力与电化学性能，同时在变形时保持结构稳定性。

要点二：可变形能力与面容量兼具

传统结构设计通常以降低面积率用率为代价，从而降低电池面容量。本文设计的电极在保证高可变形能力的同时，面容量显著优于以往报道，解决了变形能力与面容量难以兼具问题。

本文采用定向冷冻辅助3D打印技术，成功设计并制备了具有多尺度仿生结构的锂离子电池电极，巧妙结合了微观定向多孔结构和宏观蛇形结构。所制备电极表现出卓越的可变形能力，可实现300%的拉伸，180°的扭转和360°的弯曲，同时保持高达65%的面积率用率。与非定向孔结构电极相比，具有定向孔结构电极的半电池中展现出更高的比容量，更好的循环稳定性及更优异的倍率性能。基于此结构组装的锂离子全电池，在各种变形状态下均可稳定驱动LED，并通过串联电池实现表带-电池一体化集成功能。该研究的多尺度仿生结构设计为3D打印柔性电池领域提供了新思路。

吕之阳，东南大学青年首席教授，国家海外高层次青年人才项目入选者。2014年博士毕业于南京大学，导师胡征教授。2015-2020年在新加坡国立大学从事博士后研究工作。研究方向为多学科交叉的“增材制造结构材料器件”，包括3D/4D打印技术设计与开发，结构电池微型化、定制化和一体化设计与制造，各向异性结构气凝胶材料设计制造及其在热电磁声等方面应用，以及机器学习预测新材料与新结构等。共发表SCI期刊论文70余篇，主要包括Joule，Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Nano Energy，Energy Storage Mater.，IJEM等。

主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、江苏省双创博士等多项科研项目。担任中国机械工程学会极端制造分会委员、江苏省可再生能源学会理事，Fundamental Research、International Journal of Extreme Manufacturing、InfoMat、InfoSci、Nano-Micro Letters、DeCarbon、Additive Manufacturing Frontiers杂志青年编委。