第二届上海大学十大学术进展候选项目简介

（申报编号：XSJZ-202217)

一、学术进展名称及负责人：

高比能长寿命刚柔复合柔性锂离子电池

鲍垠桦（上海大学力学与工程科学学院副教授）

二、项目背景：

锂离子电池的柔性结构设计和制造成为了力学界和材料学界研究人员高度关注的前沿领域。目前柔性锂离子电池的结构设计研究主要存在着如下问题：首先，多数柔性锂离子电池的体积能量密度较低。其次，多数柔性锂离子电池中的关键部件在反复大变形过程中容易发生失效破坏，致柔性电池的输出功率不稳定、电化学性能劣化甚至电池短路等一系列性能衰减和电池安全问题。如何设计有效且精妙的柔性锂离子电池创新型结构，实现电池能量密度及良好力学性能的平衡，是目前柔性锂离子电池研究中面临的关键性挑战之一。本项目发展的基于力学理论的柔性锂离子电池刚柔复合结构设计方法对于提升柔性电池的性能具有重要的科学意义和工程应用价值。

三、学术进展及创新点：

将“刚柔并济”的力学设计理念运用到柔性锂离子全电池的构型研究中，同时考虑了柔性电池的制造可实现性，提出系统的柔性锂离子电池卷绕折叠式刚柔复合结构的力学设计方法，获得了柔性且高能量密度的锂离子电池，满足柔性电子器件和可穿戴设备对能源存储器件的多重需求。主要创新点有：

1.理论上，提出了柔性电池的仿生刚柔复合结构设计方法。

2.实验上，构建了刚柔复合电池力学-电化学性能定量化协同测试系统,形成了柔性电池劣化的综合性能评估方法，并且最终实现了高比能、高柔性、长寿命的柔性锂离子全电池制造，例如仿生鳄鱼皮双向可弯曲电池和鳞甲叠片式变刚度柔性电池，综合性能远超同类柔性电池。

四、研究成果及应用情况、学术及社会影响：

1. 代表性成果（论著、专利及获奖）

(1)     Crocodile skin inspired rigid-supple integrated flexible lithium ion batteries with high energy density and bidirectional deformability. Energy Storage Materials, 47, (2022): 149-157. (发表时间 2022 年 2 月,封面论文)

(2)     Clog-Free, Low-Cost, and Uniform Electrode Inks for 3D Printed Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Energy Materials, 5,6, (2022): 6970-6979. (发表时间 2022 年 6 月)

(3)     Feigned death induced by partial delithiation in silicon composite electrodes. Journal of Power Sources, 495, (2021): 229763. (发表时间 2021 年 5 月)

(4)     Stress-Regulated Protocols for Fast Charging and Long Cycle Life in Lithium-Ion Batteries Modeling and Experiments. Journal of The Electrochemical Society, 168, (2021): 060549. (发表时间 2021 年 6 月)

(5)     一种鳞片叠片式可弯曲柔性电池及其制造方法，中国发明专利，202110667667.7，授权

(6)     一种双向可弯曲柔性电池及制造方法，中国发明专利，202110746137.1，授权

2. 学术及社会影响

本项目提出的刚柔复合结构设计策略可在不引入新电池材料的基础上实现高比能长寿命柔性锂离子电池，具有低成本、可定制，可扩展及产业化的优势，市场及军事应用前景广阔，具有可观的效益潜力。本项目可显著提升柔性电子产品及可穿戴单兵作战装备的稳定的续航能力。此外，还可应用于构建储能承载一体化的长续航机器人。本项目契合国家能源局《“十四五”新型储能发展实施方案》中的聚焦“新型储能多元化”的总体技术路线，对推动可穿戴柔性电子器件的发展具有重要意义，是市场及军事可穿戴装备公认的未来趋势，具有庞大的市场规模。本项目成果产生了一定的社会影响力，受国内外媒体（能源学人，AZOM.COM）大篇幅专题报道，并在长三角高技术成果交易会上展出。