随着柔性器件的发展，需要设计出具有优越的柔韧性、耐用性、安全性等的高性能电源，以确保它们可以随器件变形，同时保留其电化学功能。 在这里，我们设计了一种受 DNA 螺旋结构启发的柔性锂离子电池。 电池结构主要由多个用于储能的厚能量堆和一些用于应力缓冲的凹槽组成，实现了电池的螺旋形变形。 结果表明，即使在原位动态机械负载超过 31000 次后，电池的容量下降也低于 3%。 此外，进一步揭示了具有螺旋变形能力的电池的机理。 预计这种仿生设计策略可以为柔性电池的商业化创造独特的机会，并填补当前实现电池特定变形的空白，以满足未来复杂设备设计的各种要求。
 
 
图 1. 设计的电池结构和制造过程示意图。 (a) DNA 螺旋结构和受螺旋启发的电池设计。 条带用于储能，心轴保持结构稳定性。 (b) 在螺旋 FLIB 制造过程中，首先将多层电极切割成设计的形状，然后将延伸的条带缠绕在芯轴上以形成能量堆栈。
 
 
图 2. 静态模式下电池的电化学性能。（a）常规状态和（b）设计电池的螺旋状态的数码照片。 (c) 通过每 20 次循环改变状态（长度，180 ± 5 mm；宽度，20 ± 5 mm；螺旋度，360°）获得的电池在 220 次循环后的容量保持率和库仑效率。  (d) 不同循环数下的恒电流充电/放电 (GCD) 曲线。 (e) 静态螺旋配置中电流密度范围为 0.25 至 1 C 的电池的倍率性能。
 
 
图3.动态模式下电池的电化学性能。 (a) FLIB 在 10000 次螺旋变形和 220 次 GCD 循环后的容量保持率和库仑效率（长度，180±5 mm；宽度，20±5 mm；螺旋度，360°）。 (b) 设计电池在螺旋形变过程中的数码照片。 (c) 不同循环数下 FLIB 的 GCD 曲线。 (d) 螺旋变形后 FLIB 的奈奎斯特图。
 
 
图 4. 原位动态模式下电池的电化学性能。 (a) 原位动态测试系统示意图。  FLIB 在原位动力学操作期间 (b) 初始和 (c) 最终状态的数码照片。 (d) 设计电池在 31200 次原位动态变形后的容量保持率（长度，180 ± 5 mm；宽度，20 ± 5 mm；螺旋度，360°）。 (e) 不同 GCD 循环下 FLIB 的单步时间全电池电压曲线。 (f) 与受 DNA 结构启发的螺旋 FLIB相比，所报道的全电池级柔性电池的容量保持率和原位机械负载循环图。
 
 
图 5 设计电池的合理性和安全性分析。(a) 阴极和 (b) 原位螺旋变形后分解的阳极的 SEM 图像。  (c) 阴极和 (d) 阳极在螺旋形变形后的表面附着力测试。 (e) 180°和 (f) 360°螺旋应变（心轴宽度，15 毫米；凹槽距离，5 毫米）下电池的应变分布。阳极在（g）180°和（h）360°螺旋应变（芯轴宽度，15 mm；槽距，5 mm）下的多物理场耦合结果。 (i) 具有大约 d = 1 mm 孔损伤的 FLIB 的温度分布（心轴宽度，15 mm；凹槽距离，5 mm）。 (j) 不同损伤下电池的温升变化。 (k) 电池损坏后横截面和纵向截面的电流和热分布。 (l) 不同时间温度随损伤距离的变化（心轴宽度，15 mm；凹槽距离，5 mm）。
  
       相关研究成果由哈尔滨工业大学Shuaifeng Lou和Geping Yin等人2022年发表在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。

转自《石墨烯研究》公众号