哈工大尹鸽平/娄帅锋等Small：剪纸工艺启发的柔性锂离子电池—将集中应力转化为分段应变

柔性电子产品如人造电子皮肤、可弯曲手机、表皮传感器等的不断涌现，推动了柔性电源的发展。在所有当前可能的储能设备中，锂离子电池（LIB）由于其高能量密度、成熟的生产供应链和良好的环境效益，仍然被认为是支持各种可穿戴变形电子产品的理想选择。

因此，构建具有高度柔韧性的LIB是实现柔性储能系统商业化的一个重要目标。尽管柔性锂离子电池（FLIB）的可变形性受到了广泛关注，但由于难以释放周期性变形引起的交变应力，因此其机械耐久性和稳定的电化学性能受到了严峻挑战。

工程建模的发展和机械行业的技术进步使得从2D平面创建复杂的3D对象成为了可能。通常，以剪纸工艺为灵感的制造策略可以提供很大的自由度来平衡常见的矛盾属性，如柔性和刚性。因此，剪纸工艺启发的全电池级别的电池结构设计似乎是一种更实用、更高效的方案，即使使用传统电池材料（例如铜箔和铝箔），LIB也具有高度的柔韧性。

然而，目前，剪纸工艺启发的电池结构设计似乎共同关心的问题是如何利用电池厚度的周期性变化来实现复杂多样的形状变形。然而，在一些实际应用中，如柔性便携式智能卡、医疗美容贴片、超薄柔性显示屏等，它们对厚度变化极其敏感。如果集成了额外的电池和电路组件后，最终厚度增加过多，整个组件可能会失去舒适性或便携性，从而失去产品竞争力。

本文中，我们报告了一种FLIB的分段变形策略，其不但实现了良好的电化学储能性能还具有优秀的机械特性，此外，分段可变形的FLIB（定义为ST-FLIB）具有可扩展制造的特点，可以最大限度地利用现有的全电池规模生产线。相信这种独特的变形策略将启发合理的电极图案设计，以便根据设备进行定制，并进一步为具有优异机械耐久性的FLIB提供潜在的商业化机会。

基于此，哈尔滨工业大学尹鸽平、娄帅锋等人利用传统电池生产链制造了可弯曲形变的柔性锂离子全电池，电池实现了超过20000次弯曲应变的目标。并且通过静态、动态、原位动态等应变测试条件下评估了其电化学性能。并通过微观电极形貌/电活性层粘附力、以及力学仿真模型解释了将集中应力转换为分段应变的先天优势：即如何轻松的克服柔性锂离子电池的两大障碍：“机械失效”和“电化学失效”；相关成果发表在国际期刊Small上，博士生孟旗为本文第一作者。

如图1a所示，该工作首先对于传统的平面叠层电池（CPLB），作为对比，在实际变形过程中，外部应力会在电池的弯曲中心产生强烈的应力集中，从而迫使电池的内部组件屈服（即机械机械失效）和/或电活性层出现脆裂（即电化学失效），导致FLIB失去储能功能。

分段变形策略是将实际的集中应力转化为分段应变：即将应力分散在整个电池平面上，保持电极顶部电活性层的粘附力，同时改变传统电池的弯曲半径（R）以显示相同的曲率，从而使细胞能够在反复的交变压力下存活。此外，如图1b所示，我们设计的全电池级别的FLIB具有可扩展制造的特性，可以最大限度地利用现有的全电池规模的生产线，为商业化提供可能。图1c显示了电池在双轴静态弯曲下的循环稳定性。

图1.（a）分段变形策略的原理：将实际弯曲状态转换为理想应变配置，以克服集中应力引起的机械失效和电化学失效。（b）ST-FLIB可扩展制造工艺示意图。（c）静态模式下，双轴应变形状ST-FLIB的循环稳定性。

图2.（a）动态模式下，在X方向弯曲的ST-FLIB的循环稳定性（电池每10个GCD循环后经历1000次弯曲变形）。（b）弯曲过程中不同阶段的电池的数码照片。（c）不同循环次数下ST-FLIB的GCD曲线。（d）动态模式下，常规CPLB的电化学循环。

图3.（a）原位动态机械应变-电化学测试系统示意图。（b）~20000次原位动态变形后ST-FLIB的容量保持（X方向）。（c）ST-FLIB在不同循环次数下的单工步时间-全电池电压曲线。（d）奈奎斯特图和对应的等效电路。（e）~20000个原位动态变形（Y方向）后，ST-FLIB的容量保持率。

如图4e，f所示，观察了ST-FLIB的电极在形变后的表面形貌，没有出现任何的脆性裂纹，另一方面，电极表面粘附力仅出现了有限的下降，即有效的抑制了电化学失效。此外，如图4i-l所示，还基于热失控理论评估了剪纸工艺对电池安全性的影响，为后续的研究或柔性锂离子电池的商业化可能提供了参考。

图4.（a）CPLB和（b）ST-FLIB在X方向弯曲后的应力分布。（c）CPLB和（d）ST-FLIB在Y方向弯曲后的应力分布。原位动态变形后拆卸电池获得的（e）阴极和（f）阳极的SEM图像。在20000次弯曲变形后，测试（g）阴极和（h）阳极的表面附着力。（i）ST-FLIB阳极的电流分布和（j）热分布。当ST-FLIB在（k）X方向和（l）Y方向弯曲时，力-电流-热三物理场耦合后的阳极结果。ST-FLIB与薄型柔性LED显示屏集成并为其供电：（m）前视图和（n）后视图。

本研究论文以“Kirigami-Inspired Flexible Lithium-Ion Batteries via Transformation of Concentrated Stress into Segmented Strain”为题发表在Small上，哈尔滨工业大学为唯一单位，尹鸽平教授、娄帅锋副教授为本文通讯作者。

娄帅锋 哈尔滨工业大学化工与化学学院，副教授/博士生导师，2010年获得哈尔滨工程大学学士学位，2012年和2017年分别获得哈尔滨工业大学硕士和博士学位，先后在加拿大西安大略大学和美国哥伦比亚大学从事科学研究工作。主要研究方向为全固态锂电池、锂离子电池关键材料与仿真技术等。

以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇，包括Nat. Commun.、Chem、 Adv. Mater.、Acc. Mater. Res.、Nano Lett.、Adv. Sci.、Small (2篇)、Nano Energy (5篇)、Energy Storage Mater. (2篇)等，参编英文书籍1章。先后获哈工大校优秀博士学位论文、黑龙江省优秀青年基金、中国新锐科技人物奖、黑龙江省自然科学二等奖等多项奖励，2021年入选中国科协青年人才托举工程。

在Science、Nat. Comm., Chem、JACS，Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊发表SCI论文400余篇，SCI总引用20000余次，H因子为70。入选ESI热点论文2篇、ESI高被引论文20篇、中国百篇最具影响国际学术论文2篇。2014～2020年连续入选爱思唯尔中国高被引学者（能源领域）。作为联合主编出版Elsevier专著1部。获得黑龙江省自然科学一等奖2项、二等奖1项，航天工业部科技进步三等奖1项。

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