王诗任教授， Energy Storage Materials：通过结构工程实现的高性能可重构柔性锂离子电池

第一作者：高崇杰

通讯作者：王诗任

单位：美国Texas A&M University

可穿戴和可植入生物电子产品在监测、诊断和治疗人类健康和疾病中的应用对电源产生了更高的要求， 电池因其高能量密度、优异的循环性能和长期稳定性， 被认为是最佳的电源选项， 常规电池通常由坚硬和甚至有毒的材料组成，同时人体组织和电池之间的机械性能不匹配可能导致人体免疫反应和电池失效，这对高性能柔性电池提出了更高的要求。本篇文章展示了通过剪纸艺术对电极结构进行改造，来实现电极的多维可拉伸和高导电性，同时剪纸结构电极具有与人体组织相近的模量，运用了双网络水凝胶配合两步交联方法对剪纸结构电极进行封装，探讨了基于剪纸结构电极的柔性锂离子电池的机械性能，在不同应变下以及动态机械环境下的的从充放电性能，和生物相容性。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速柔性锂离子电池领域的研究及实际应用。

近日，来自Texas A&M Univeristy的王诗任教授，在国际知名期Energy Storage Materials上发表题为“Structure engineering-enabled multi-direction-reconfigurable, soft, reconfigurable lithium-ion battery with tissue-compliance low modulus and high performance”的研究文章。该文章运用了剪纸结构电极制备了高性能可重构柔性锂离子电池，在保持高性能的同时，首次实现了接近人体组织模量的电池（64.1千帕）以用于人体内植入电子器件，探究了不同应变环境对重构柔性锂离子电池性能的影响，同时验证了高性能可重构柔性锂离子电池的生物相容性和多维度可拉伸性。

常见的可拉伸柔性电极是基于水凝胶材料开发的， 由于水凝胶绝缘的特性，经常需要向凝胶材料中添加纳米导电填料，如金属纳米线，碳纳米管，金属纳米球，或者导电聚合物来增强水凝胶的导电性。然而，这些刚性纳米材料在提高水凝胶导电性同时，会急剧增加水凝胶电极的模量，降低水凝胶电极的可拉伸性。最近的研究表明 可伸缩的碳纳米管水凝胶电极在拉伸到100%的时候，电阻增加了500%，同时为提高水凝胶电极的导电率，水凝胶中的水分需要被精确控制，这给制备过程带来了很多困难。本文利用了剪纸艺术对导电碳布进行了结构改造，通过COMSOL对电极结构进行仿真，对剪纸图案进行了精确设计，制备了多维可拉伸剪纸结构电极，通过对形变中的剪纸结构电极电阻的变化的测量验证了这种设计的优越性能。

常见的电池封装材料多为金属材料，然而这样会极大的增加电池的模量。为了保证高性能可重构柔性锂离子电池的生物相容性，同时防止剪纸结构电极在动态机械条件下失效，双网络水凝胶被应用来解决剪纸结构电极的封装问题。我们提出一种两步交联方法来增强电极与电解质界面的附着力，大大降低了剪纸结构电极失效的概率。

基于剪纸结构的高性能可重构柔性锂离子电池显示出较好的可重构构性. 在被拉伸到125%， 弯曲180°，卷曲90°， 仍能保持较好的放电容量，在被拉伸到100%的时候，电池的容量达到了83.5 mAh/g。另外，可重构柔性锂离子电池在较大形变下，在200次循环后，仍有90%的容量保持率。

由于特殊的应用场景，这就对电池的生物相容性和稳定性提出了更高的要求。细胞实验证实了可重构柔性锂离子优异的生物相容性，通过对电池进行反复拉伸弯曲的充放电循环测试，验证了电池的高稳定性。通过观察在充放电过程中电池温度的变化，排除了体温对电池性能的影响。

“Structure engineering-enabled multi-direction-reconfigurable, soft, reconfigurable lithium-ion battery with tissue-compliance low modulus and high performance”

王诗任 教授（https://nano.engr.tamu.edu/people-of-the-laboratory/），现任Texas A&M University工业工程系教授，兼任生物医学工程系, 材料科学工程系教授。其团队专注于生物/纳米材料与制造，增材制造，生态制造与能源回收的研究，相关成果发表在Energy & Environmental Science，Nature Communication，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Journal of Materials Chemistry A，Additive Manufacturing等领域顶级期刊。王诗任教授先后获得NSF CAREER Award, Jill and Charles F. Milstead '60 Faculty Fellow, TEES Faculty Fellow, Texas A&M PRESIDENT’S EXCELLENCE FUND等荣誉，并担任Scientific Reports，Modern Polymer Chemistry and Materials，Nanomanufacturing，Nanomaterials等期刊主编或编委。

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