Angew炸裂级刊文：500000次超折叠钠离子电池

企业 2024-10-30 11:00 天津

【文章背景】

在柔性电子日新月异的今天，消费者对能够自由折叠、任意调整形态的电子产品给予了厚望。然而，传统的铰链结构限制了市面上折叠设备的灵活性与实用性。而电池作为柔性电子器件的关键组件，虽然在电化学性能方面已经取得了一系列显著进展，但其折叠性能却远未达到现代电子器件日益提升的要求，因而电池的折叠难题就成为了限制上述超折叠器件进一步发展的一个瓶颈。

问题的核心在于，包括金属、导电聚合物、碳等无机非金属在内的所有本征导电材料，均受到化学键短程力的固有限制，导致它们无法承受反复的真折叠操作。此外，以往所报道的电极材料在结构设计上均未能有效解决应力分散这一核心难题。因此，超折叠储能器件的研究仍需艰难的探索。

【工作简介】

近日，同济大学吴彤教授团队选取储量丰富、价格低廉的钠离子电池作为研究的切入点，采用创新的“2+1”多级仿生策略，通过逐步设计和组装，从超折叠基底材料到电池电极，再到全电池器件，成功构建出首个可超折叠的钠离子电池。该电池展现出卓越的超折叠性能，能够在任意方向上承受500000次真实折叠，且电化学性能保持稳定。该文章以Sustaining 500,000 Folding Cycles through Bioinspired Stress Dispersion Design in Sodium-Ion Batteries为题，发表在国际权威期刊Angewandte Chemie International Edition上。

【内容简述】

在基底材料的研发中，团队模仿蚕茧和莲藕茎的结构，成功制备了兼具高导电和超折叠性能的嵌入碳纳米管的碳纳米纤维网络，这一创新材料为构建超折叠电池奠定了坚实基础。同时，电极设计则借鉴了鱼鳞的灵活结构，将活性材料有序地分布附着在碳纳米纤维上，确保了材料的牢固结合与电极的柔性。这一设计有效地分散了折叠过程中的应力，防止活性材料的脱落和电化学性能的下降。最终，成功组装出了首个能够在任意角度和方向上进行超过50万次真折叠的钠离子电池，且未出现微结构损伤及电性能的显著波动。

通过自行搭建的原位扫描电镜观测平台对折叠过程进行实时动态观察，团队发现材料内部形成了“M”形的折叠结构。这一结构通过凸起的层、分散的弧形和可滑动的微槽，在不同方向和层面上共同作用，实现了应力的全面分散。力学模拟的结果进一步验证了这一原理的正确性，为其他超折叠器件的构建提供了重要的理论指导。

图1 仿生制备示意图

图2 电极材料折叠与性能图

图3 有限元仿真模拟

图4 全电池性能

【小结】

综上所述，通过巧妙的多级仿生设计，成功解决了长期困扰的电子器件大量真折叠难题，这一创新成果不仅为超折叠电池的研发开辟了新路径，更为未来电子产品的革新带来了无限可能。随着这项技术的进一步完善和进步，有望看到真正的超折叠电子产品进入市场，为人们的生活带来革命性的变化。

Sustaining 500,000 Folding Cycles through Bioinspired Stress Dispersion Design in Sodium-Ion Batteries；https://doi.org/10.1002/anie.202417589

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