柔性和可穿戴电子产品的快速发展带来了令人兴奋的应用范围，从智能手表和柔性显示器 - 如智能手机，平板电脑和电视 - 到智能面料，智能玻璃，透皮贴片，传感器和更多。随着这种增长，高性能柔性电池的需求增加。然而，到目前为止，研究人员难以在锂离子电池中同时获得良好的柔韧性和高能量密度。
由哥伦比亚工程公司应用物理和数学系材料科学与工程助理教授袁阳领导的团队开发了一种原型来应对这一挑战：一种形状像人体脊柱的锂电池，具有非凡的灵活性，高能量密度和稳定的电压，无论它如何弯曲或扭曲。该研究今天发表在Advanced Materials上。
“我们原型的能量密度是迄今为止报道的最高能量密度之一，”杨说。“我们开发了一种简单且可扩展的方法来制造具有优异电化学和机械性能的柔性脊柱状锂离子电池。我们的设计作为第一代，灵活的商用锂离子电池非常有前景。我们现在正在优化设计并改善其性能。“
Yang，其团队探索电池材料的组成和结构以实现高性能，其灵感来自于在健身房做仰卧起坐时脊柱的柔软性。人体脊柱具有高度的柔韧性和扭曲性以及机械强度，因为它包含可以连接硬质椎骨部分的软骨髓成分。Yang使用脊柱模型设计了一个结构相似的电池。他的原型有一个厚而坚硬的部分，通过将电极(“椎骨”)缠绕在一个薄而柔软的部分(“骨髓”)周围来储存能量，这部分将椎骨状的电极堆叠在一起。他的设计为整个电池提供了极好的灵活性。
“由于刚性电极部分的体积明显大于柔性互连，因此这种柔性电池的能量密度可以超过标准商用包装中电池的85%，”杨解释说。“由于整个结构中活性材料的比例很高，我们的脊柱状电池显示出非常高的能量密度 - 高于我们所知的任何其他报告。电池也成功地经受了严苛的动态机械负载测试，因为我们理性的生物灵感设计。“
Yang的团队将传统的阳极/分离器/阴极/分离器堆叠切割成长条带，其中多个“分支”从“骨架”向外延伸90度。然后，他们将每个分支包裹在骨干周围，形成厚叠层，用于储存能量，如脊柱中的椎骨。采用这种集成设计，电池的能量密度仅受到椎骨状堆叠的纵向百分比的限制，与设备的整个长度相比，可以轻松达到90%以上。
电池在循环时表现出稳定的容量，以及稳定的电压曲线，无论它如何弯曲或扭曲。循环后，该团队拆开电池，检查电极材料的形态变化。他们发现正极完好无损，铝箔没有明显的开裂或剥落，证实了其设计的机械稳定性。为了进一步说明其设计的灵活性，研究人员在放电过程中不断弯曲或扭曲电池，发现弯曲和扭曲都不会中断电压曲线。即使在整个放电期间电池连续弯曲和扭曲，电压分布仍然存在。处于弯曲状态的电池也在更高的电流密度下循环，并且容量保持率非常高(在3C时为84%，充电时间为1/3小时)。电池也经受了连续动态机械负载测试，在早期研究中很少报道。
“我们的脊柱式设计比传统设计更具机械强度，”杨说。“我们预计，我们生物灵感，可扩展的制造柔性锂离子电池的方法可以大大推动柔性设备的商业化。
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