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哈爾濱工業(yè)大學(xué)Shuaifeng Lou和Geping Yin等--DNA 螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)了具有高螺旋變形能力和長壽命循環(huán)穩(wěn)定性的柔性鋰離子電池
       隨著柔性器件的發(fā)展,需要設(shè)計出具有優(yōu)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(xué)功能。 在這里,我們設(shè)計了一種受 DNA 螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)的柔性鋰離子電池。 電池結(jié)構(gòu)主要由多個用于儲能的厚能量堆和一些用于應(yīng)力緩沖的凹槽組成,實現(xiàn)了電池的螺旋形變形。 結(jié)果表明,即使在原位動態(tài)機(jī)械負(fù)載超過 31000 次后,電池的容量下降也低于 3%。 此外,進(jìn)一步揭示了具有螺旋變形能力的電池的機(jī)理。 預(yù)計這種仿生設(shè)計策略可以為柔性電池的商業(yè)化創(chuàng)造獨特的機(jī)會,并填補(bǔ)當(dāng)前實現(xiàn)電池特定變形的空白,以滿足未來復(fù)雜設(shè)備設(shè)計的各種要求。
 
 
圖 1. 設(shè)計的電池結(jié)構(gòu)和制造過程示意圖。 (a) DNA 螺旋結(jié)構(gòu)和受螺旋啟發(fā)的電池設(shè)計。 條帶用于儲能,心軸保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 (b) 在螺旋 FLIB 制造過程中,首先將多層電極切割成設(shè)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(tài)模式下電池的電化學(xué)性能。(a)常規(guī)狀態(tài)和(b)設(shè)計電池的螺旋狀態(tài)的數(shù)碼照片。 (c) 通過每 20 次循環(huán)改變狀態(tài)(長度,180 ± 5 mm;寬度,20 ± 5 mm;螺旋度,360°)獲得的電池在 220 次循環(huán)后的容量保持率和庫侖效率。  (d) 不同循環(huán)數(shù)下的恒電流充電/放電 (GCD) 曲線。 (e) 靜態(tài)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(tài)模式下電池的電化學(xué)性能。 (a) FLIB 在 10000 次螺旋變形和 220 次 GCD 循環(huán)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(shè)計電池在螺旋形變過程中的數(shù)碼照片。 (c) 不同循環(huán)數(shù)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(tài)模式下電池的電化學(xué)性能。 (a) 原位動態(tài)測試系統(tǒng)示意圖。  FLIB 在原位動力學(xué)操作期間 (b) 初始和 (c) 最終狀態(tài)的數(shù)碼照片。 (d) 設(shè)計電池在 31200 次原位動態(tài)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(huán)下 FLIB 的單步時間全電池電壓曲線。 (f) 與受 DNA 結(jié)構(gòu)啟發(fā)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(jī)械負(fù)載循環(huán)圖。
 
 
圖 5 設(shè)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(yīng)變(心軸寬度,15 毫米;凹槽距離,5 毫米)下電池的應(yīng)變分布。陽極在(g)180°和(h)360°螺旋應(yīng)變(芯軸寬度,15 mm;槽距,5 mm)下的多物理場耦合結(jié)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?fù)p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(guān)研究成果由哈爾濱工業(yè)大學(xué)Shuaifeng Lou和Geping Yin等人2022年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號

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