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传统电池的刚性和不透气特性仍然是可穿戴电子产品的重大限制，特别是在涉及动态物理活动的应用中。
耶鲁大学胡良兵教授、马里兰大学李腾教授等人提出了一种“多孔”电池设计，它既透气又可变形，同时保持高能量密度和易于制造。在有限元法（FEM）的指导下，该设计在标准软包电池框架内整合了一组孔阵列，显着提高了电池的透气性（是传统棉布的两倍）和拉伸性，在10%拉伸变形下保持强大的电化学性能。重要的是，这种结构允许高面能量密度，在单层电池中实现7.2 mW h/cm2，使用双电极层可扩展到14.4 mW h/cm2。该电池在物理应力下具有弹性，包括10%对角拉伸（>90%容量）和180次折叠（>95%容量），释放后恢复迅速，标志着电子纺织品领域的重大进步。
相关工作以《Stretchable, breathable, wearable batteries using a holey design》为题在《Matter》上发表论文。这也是胡良兵教授在《Matter》上发表的第12篇论文。
《New Scientist》杂志对此项研究进行了点评，认为这种带有孔的锂电池兼具柔性、可拉伸性，允许更多的气流扩散，使其成为健身追踪或医疗监测可穿戴设备的完美选择。
据文章第一作者Lin Xu回答道：其中一个挑战是保持足够的活性材料来保持电池的高能量密度——太多或太大的孔会降低能量存储容量，必须平衡机械拉伸性和电气性能。
同时，他也表示：这种电池还需要更多的磨损测试，所以研究人员计划在商业健康监测设备和运动装备上测试它的性能。他们还在研究如何最好地扩大生产规模——自动化制造必须能够提供一致的孔位置和密封，以避免电池包泄漏或短路。
图1 多孔电池原理图
本文展示了一种透气和可拉伸的电池设计，通过在传统软包电池中进行矩形孔的放置来实现（图1A）。先前的研究通过实现开孔设计探索了柔性电子器件中的各种可弯曲和可折叠结构。在本文中，将这一概念扩展到电池系统，证明了其在提高结构可变形性方面的有效性。通过有限元法确定孔型，以减小不同变形状态下的应变，同时保持较小的孔型面积以获得最佳面能密度。每个孔的外围都是密封的，以确保没有泄漏，而设计则保持了传统软包电池的基本结构，包括正极箔，负极箔，注入电解质的隔膜，以及用于钝化的铝包装层。电池结构中包含的孔促进空气循环，有效地减少热量积累和保水性。值得注意的是，这种多孔电池设计的透气性优于棉布。此外，与没有孔的原始软包电池相比，这些孔显著提高了电池的可拉伸性。
可穿戴电池的拉伸性、透气性和面能量密度与前人研究的对比分析如图1B所示。此外，除了纤维形状的电池外，它是为数不多的具有显著透气性的设计之一。然而，与基于纤维的电池相比，这种多孔电池的设计以其高面能量密度和出色的拉伸性而脱颖而出。与弹性衬底（需要不同的钝化材料）和纤维状电池（采用完全不同的制造系统）相比，它的制造也相对简单，如图1C所示。这种多孔电池设计为可穿戴电子产品制造舒适的可穿戴电池提供了一种有前途和可扩展的方法。
图2 不同孔型电池的有限元分析
为了确定电池孔的结构形式，采用有限元法对不同变形条件和不同孔形下的应变分布进行了分析。研究了设计的孔阵列电池在对角线方向拉伸时的应变分散效果，以及其他3种情况，如图2A所示。当对角线方向拉伸10%时，其他3种情况都开始表现出拉伸不稳定，以适应如此大的拉伸，平面电池包扭曲，圆形和方形排列孔电池包发生复杂弯曲。这两种变形模式都有助于分散由大张力引起的应变。然而，拉伸线沿线区域的应变水平仍然高于施加的拉伸，这最终会损害电池的可变形性。
相比之下，具有设计的孔阵列的电池包在对角线拉伸下表现出优异的拉伸性和明显的应变分散效果，材料的大多数区域的应变小于2%，与应用拉伸相比减少了五倍。由于孔阵列的存在，电池包可以在各个方向上自由偏转，同时容纳较大的拉伸，优化应变分散效果，从而大大提高了电池包在各个方向上的拉伸性能。作者还计算了应变大于施加拉伸的面积的百分比，从而定量测量了四种类型电池包的应变集中效应。在水平边缘拉伸情况下（图2B），发现设计的呼吸孔阵列电池中只有9%的区域应变高于7%的边缘拉伸，显著低于平面电池（53.35%）、圆形孔阵列电池（31.98%）和方形孔阵列电池（41.88%）。
在对角线拉伸的情况下（图2C），本文设计的呼吸孔阵列电池中几乎没有区域（0.06%）的应变高于10%的对角线拉伸，表明其沿对角线方向具有出色的拉伸性。作者还研究了设计的孔电池的柔性，以及其他3种情况，在其他极大的变形情况下，如折叠。本文设计的孔阵列电池在沿孔折叠时，与无孔的平面电池相比，折叠面积显著减少了79.95%，几乎是圆形排气孔（39.98%）和方形排气孔（35.46%）电池的两倍，如图2D所示。
图3 多孔电池的制造与性能
本文利用所设计的孔阵列制备了多孔电池样品，并进行了力学和电化学测试。这种多孔电池的制造过程与传统的软包电池非常相似。在该工艺中，采用铝箔作为封装层，同时在涂有正极材料的铝箔和涂有负极材料的铜箔上放置含电解质的隔膜，如图3A所示。根据FEM设计预先确定的孔，然后使用刀片切割所有材料和包装层。另外，可以使用激光切割或机械模切等技术实现可扩展生产的精确孔制造。采用改进的热压技术来密封孔边缘，包括将额外的加热棒集成到标准热压机中。在用压紧机密封所有孔之后，使用传统的真空热封口机密封电池的外周。
作者评估了电池的透气性、可拉伸性和功能，以确定其在可穿戴设备上的性能。多孔电池的透气性优于传统棉布。多孔电池的吸水率大约是棉布的两倍。这一发现表明，将多孔电池集成到衣服中不会影响衣服的透气性。与之形成鲜明对比的是，传统电池没有透气性。
在对角线拉伸10%、折叠180°的条件下，也验证了电池点亮发光二极管（LED）灯泡的工作能力，如图3B和3C所示。变形后电池的形状与有限元模型预测的模拟形状一致。这证明了有限元模型的准确性。此外，电池被集成到使用棉纱的实验室外套中，并在各种活动下测试其功能，包括跑步。图3D展示了多孔电池在静态和动态（运行）状态下为LED供电的能力，从而进一步表明其适用于可穿戴设备。
图4 变形条件下多孔电池的电化学性能
如图4A所示，在不变形和放电电流密度为75 mA/g的情况下，多孔电池显示出149 mA h/g的初始放电容量和出色的循环稳定性。在100圈循环内，其容量保持率超过95%（图4E）。这一发现表明，在所有材料层中存在的孔不会对电池的电化学性能产生不利影响。
综合评价不同变形模式下多孔电池的电化学性能，如图4B-4D所示。测试包括将多孔电池置于独立模式和10%对角线拉伸模式之间的交替循环中，每次循环包括20圈充放电循环。如图4F所示，对多孔电池施加10%的对角线拉伸并不会影响其放电能力，相对于独立模式，电池容量保持在90%以上。这种弹性可归因于设计的孔模式，它有效地减少了电池受到严重应变的比例，否则可能导致退化或失效。此外，电池在拉伸状态下的循环稳定性值得注意，在恢复到独立状态和缓解应变后，容量迅速恢复。这种行为在第二次拉伸-释放循环中一直被观察到，证明了电池能够承受在积极运动场景中典型的重复拉伸运动。
作者还评估了电池在180次折叠-展开循环中的性能，如图4G所示。孔的结合显著减少了在折叠过程中受到大应变的面积，与独立状态相比，可以在折叠过程中保持超过95%的电池容量。在折叠力释放后，容量也恢复了。还测试了没有孔的电池在180次折叠下的性能，观察到与有孔的电池相比，容量发生下降。这种减少可能是由于在折叠过程中活性材料变形的面积略有增加。
Stretchable, breathable, wearable batteries using a holey design，Matter，2025.
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.101959
