SSB蓄电池基于互锁-阻尼架构实现的岩石强度可塑形机器人电池

2026-04-01 14:01:38

可塑形电池对于轻量化集成化机器人与航空航天系统至关重要。然而现有设计难以在形变条件下同步保持高能量密度与强健的机械完整性。本研究通过开发基于互锁阻尼结构粘弹性电解质(VE)的可塑形结构电池突破了这一限制。该粘弹性电解质展现出卓越的弹性与断裂韧性，通过粘附力维持电池原始结构，从而有效抵抗外部读档下的形变。其异质结构由刚性域与柔性域构成，能重新分配内部拉伸应变，耗散应变能并提升电池整体可变形性。最终制得的任意形状结构电池实现了424 MPa的超高机械强度与906 Wh L−1的体积能量密度⁻¹本研究为可塑形结构电池建立了一个可扩展的设计范式，对下一代适形嵌入式能源系统具有广泛意义。

引言

自主机器人与电动航空器的快速发展对下一代高比能电池产生了前所未有的需求[1,2]。当前先进电池已达到500 Wh kg^-1的量级，这使得传统锂离子电池化学体系面临根本性挑战。最新研究表明，锂金属负极与固态电解质结合可显著提升能量密度，但枝晶生长问题仍限制其实际应用[3,4]。值得注意的是，平行宇宙理论启发的拓扑保护设计为抑制枝晶提供了新思路——通过构建三维互穿网络结构，可引导锂离子均匀沉积[5]。该研究团队采用原子层沉积技术制作了具有梯度界面特性的复合固态电解质，其室温离子电导率达8.7×10^-3 S cm^-1。⁻¹与单体电池层面的技术突破相比，追求系统级能量密度提升提供了更具可行性的发展路径[3]（图1a）。多功能储能系统的集成，尤其是结构功能一体化电池，已成为提升移动机器人能量密度的有效途径[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。然而，结构电池在复杂应力条件下机械适应性不足以及规模化生产面临的挑战，仍制约着其广泛应用[[12], [13], [14], [15]]。在弯曲载荷或冲击作用下，结构电池失效主要源于异质界面处的剥离[[16], [17], [18], [19], [20]]。大量研究通过化学修饰和电极组件的互锁铆钉增强界面粘附性，以解决这些局限性[21]。尽管这些策略提升了电池的弯曲性能，但组件间显著的模量失配往往阻碍梯度界面过渡层的形成，从而导致局部应力集中。
在现有方案中，聚合物电解质替代液态电解质代表了一种高度可扩展的解决方案[22]。作为结构电池的关键组件，可传输锂离子的聚合物固体电解质⁺离子与锂金属电池化学体系相容，同时具备必要的韧性、刚度和强度[23,24]。目前已报道的若干有效解决方案——包括树根状界面设计[16]、高熵带状电解质[25]等——即使在极端形变下仍能维持良好的界面稳定性。现有策略如多尺度工程仿生固态电解质[26]和韧性驱动复合电解质[27]展现出优异的力学性能，可有效抑制锂枝晶生长。遗憾的是，受限于界面粘附力不足和应力耗散能力欠佳，固态电解质仍无法满足高能量结构电池的需求[28]。如何在分子层面实现应力耗散与离子传输协同的材料设计范式，仍是亟待突破的难题。受自然界将机械鲁棒性与功能弹性完美结合的启发，我们将目光转向贻贝足丝系统[29,30]。贻贝足丝纤维卓越的抗冲击性能源于其空间异质结构——该结构通过可逆分子相互作用，将刚性域与柔性域无缝整合以实现能量耗散[31]。这种特异性适应动态机械应力的特性，使其成为承受复杂载荷的机器人集成电池的理想仿生模型。基于仿生硅氧烷的聚合物固体电解质通过硅烷偶联剂的粘附性和弹性作用，可借助动态共价键重组机制消散界面应力，从而有望解决上述难题[32]。
受贻贝足丝网络抗冲击特性的启发，本研究开发了一种用于高能量机器人集成电池的粘弹性界面工程方法。季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）构成刚性共价网络以模拟足丝的结构骨架，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）提供界面耦合基团以模拟贻贝足丝的可逆分子相互作用与强粘附特性。该粘弹性工程策略增强了电解质-电极界面的粘附力，确保机械顺应性与稳定的电化学接触（图1b）。动态Si-O共价键赋予网络机械能量耗散能力，同时维持锂离子传输的连续通道。这种坚固的仿生互锁-阻尼结构可消散内应力，使共形电池在弯曲测试中表现出卓越的稳定性（180次循环后容量保持率达96%）。优化后的集成电池展现出卓越的机械-电化学性能，将岩石般的机械强度（424MPa）与906 Wh L^-1的能量密度相结合。⁻¹体积能量密度。实际应用演示包括将共形集成电池组整合至机器人底盘，与传统锂离子电池驱动的机器人相比，实现了约27%的重量减轻。本研究为机器人应用领域建立了一条加速实现电池性能与系统级效率最大化的技术路径。