你沒有看錯, 就是那個愛情聖地哥倫比亞大學, 劉強東與太太章澤天, 王力宏與太太李靚蕾, 李雲迪與女友田霏均在此相識. 哥倫比亞大學在中國可以說是早有盛名, 前有胡適, 馮友蘭, 徐志摩, 聞一多等這樣的大家, 後有李開複, 楊瀾等這樣的名人, 讓哥倫比亞大學在中國可以說是家喻戶曉. 近年來哥倫比亞大學更是與娛樂界牽手成功, 早期進軍好萊塢的章子怡曾在哥倫比亞大學學習英語, 張藝謀的長女張末曾在哥倫比亞大學攻讀法律學位. 哥大當然不僅僅有浪漫的愛情故事, 哥大的科研實力也是全球頂尖的, 在2018年美國新聞與世界報道 (US News & World Report) 頒布的美國大學排名中, 哥大排名第5, 截止2017年共有96位諾貝爾獎獲得者曾在哥大學習或工作過, 哥大更曾培養出四位美國總統, 其中我們最熟悉的就是奧巴馬和羅斯福.
今天我們要為大家介紹的科研成果就是出自哥倫比亞大學, 近年來隨著可穿戴設備的快速發展, 對可彎曲的柔性電池的需求也快速增加, 各種柔性電池的設計也是層出不窮, 但是大多數柔性電池的設計都會導致鋰離子電池的能量密度的大幅降低, 影響可穿戴設備的續航時間. 為了解決這一問題, 哥倫比亞大學Guoyu Qian等人受到生物脊骨結構的啟發, 研發了一款柔性鋰離子電池, 在保證良好的柔性的同時, 還保持了高體積能量密度的優勢.
柔性電池的結構如上圖所示, 柔性的電池的基本結構可以分為一個主幹, 以及與主幹相連的分支組成, 這些分枝會圍繞著主幹進行卷繞, 最終形成類似動物脊椎骨的結構, 由主幹與外電路連接. 這樣的結構不僅保證了電池具有良好的柔性, 還極大的提高柔性電池的能量密度, 在採用LiCoO 2/石墨作為活性物質時, 該結構的電池體積比能量可達242Wh/L.
在電化學性能測試中, 無論是彎曲 (彎曲半徑20mm, 10000次) 還是扭轉 (扭轉90度1000次) 的情況下該結構的電池的迴圈性能都沒有受到影響, 在0.2C倍率下迴圈100次, 容量保持率可達94.3%, 庫倫效率達到99.9%. 從下圖c的電池電壓曲線也可以看到, 無論是彎曲還是扭轉對於電池的電性能都沒有顯著的影響.
柔性電池在整個壽命周期內, 可能會經曆數千次的彎曲和扭轉, 因此Guoyu Qian採用機械結構對該結構的柔性電池在機械載荷下的穩定性進行了評估. 從下圖c可以看到, 即便是在電池彎曲半徑達到20mm的情況下, 電池仍然能夠進行穩定的充放電, 容量僅出現了輕微的降低, 這表明大部分活性物質在彎曲的過程中都能夠保持與集流體的接觸, 沒有出現明顯的活性物質脫落.
為了研究在彎曲過程中, 電池內的應變分布, Guoyu Qian挑選了一個最為常見的情形——作為腕帶戴在手腕上, 利用有限元分析工具對其內部的應變分布進行了分析, 結果如下圖所示. Guoyu Qian發現, 採用仿生結構的柔性電池在彎曲中的最大應變僅為0.08%, 方形電池的應變則達到了1.8%, 而Al箔和Cu箔的屈服應變分別為0.47%和0.73%, 這說明採用仿生結構的柔性電池的應變都在Al箔和Cu箔可承受範圍之內, 而方形電池已經超出了Al箔和Cu箔的屈服極限. 這說明Guoyu Qian的仿生結構設計能夠極大的減少電極在電池彎曲中受到的應變, 減少形變對於集流體和活性物質的破壞, 提升電池的迴圈性能.
Guoyu Qian的這一設計充分借鑒了動物脊柱的特點, 結合鋰離子電池的結構特點, 通過仿生結構極大的減小了彎曲和扭轉等變形對於集流體和活性物質造成的破壞, 在保證電池的柔性的同時, 還極大的提高了柔性電池的能量密度, 提高了實用性, 該電池在未來的可穿戴設備, 特別是智能手錶等方面有廣闊的應用前景.
