【柔性电池的机械稳定性是提供稳定性能的保证】
可变形电池是可穿戴电子系统中作为电源的核心部件之一，其机械稳定性与电化学性能相比具有同等重要性。应用于静态场景的高性能电池系统中每个电池组件中的材料在电化学上已经足够成熟，例如商业锂离子和锌离子电池，转移到可变形构型。然而，备受期待的可变形电池并未广泛商业化，主要是由于其机械性能的现状可能无法胜任实际应用。过去十年可变形电池的进展致力于通过配置和材料设计，例如链状、折纸和受脊柱启发的结构和/或将刚性材料合并到弹性基材中，这种配置调节策略可以重新分配施加的力，以最小化特定电池区域上的力大小。然而，从初始平衡状态不可避免的结构变化，无论是在单层还是多层中，都可能在某种程度上发生，这将导致性能下降。一个可行的解决方案是建立机械耐用电池配置。
【电池在弯曲力下如何变形】
一旦施加弯曲力，将逐渐形成弯曲形状，其中拉应力将集中在凸面而压应力将集中在凹面（图1a）。弹性变形是完全可逆的，而塑性变形不会恢复到初始状态。基于脆性断裂机制，将出现细观曲线形折痕和/或微观域裂纹（图1a）。这种结构变化将直接导致电化学性能不稳定和退化。对于变形后的裂纹，一种可能的解决方案是使用自修复粘合剂恢复到初始状态。
图1. 图 1：单层和全电池装置在弯曲力作用下的结构演变示意图。
【如何提高内聚力和粘附力】
从材料方面来看，可以通过调节材料来构建机械耐用的电池结构来抑制甚至消除上述结构变化。有两种不同的力，即单层内聚力和多层间粘附力，以保持其原始结构，即抵抗外力作用下的变形。具体而言，它从材料方面提出了一个问题，即如何增强可变形电池内部的内聚力和附着力。电极层内部的内聚力主要由聚合物粘合剂材料决定，其中结合力基于弱范德华相互作用。因此，提高内聚力的策略是在处理高弹性模量和回弹力的电极层中开发坚固的弹性粘合剂，其中聚合物网络包裹在电化学活性颗粒周围（图2a-i）。
图 2：可变形电池中存在内聚力和粘附力的示意图。
【对机械稳定电池的展望】
对于未来可变形电池机械性能的优化，有两个协同方向值得进一步研究：（1）设计具有优异弹性和断裂韧性的合适粘合剂以抵消电池结构的变形趋势，（2）开发优化电池配置以消散和稀释施加在电池单元上的外力。在这方面，设计粘合剂并建立强大的内聚力和粘附力依赖于聚合物化学和机械科学，其中电化学也应被计算在内。在设计可变形电池设备时，呼吁采取行动提高内聚力和粘附力。
相关论文以题为Adhesive and cohesive force matters in deformable batteries发表在《npj Flexible Electronics》上。通讯作者是香港城市大学支春义教授。
参考文献：
nature.com/articles/s41528-021-00124-w
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