极度可变形结构及由其制成的锂二次电池

技术领域

本公开内容涉及通过使用层次结构的具有嵌入式形式的极度可变形 (extremelydeformable)结构，以及由其制成的锂二次电池。

背景技术

大多数材料具有为材料的特性和功能而优化的固有形式。然而，一些 材料也会通过特定的刺激而丧失一些功能，并且其外观也会变形。

当材料的结构特性和形态特性通过特定的外部刺激如外力或温度而 变形时，从常规的机械观点来看，其结构被确定为不稳定的，并因此被认 为是一种失效。

反之，材料如形状记忆合金即使由于向其施加力而变形也记得其初始 形状，并因此具有这样的特性：当向其添加热使得材料达到特定温度或更 高温度时，材料回到初始形状。特别地，当满足了预定温度或更高温度的 条件时，材料本身的形状变形，同时该材料本身具有的嵌入晶体的排列变 形。从机械观点来看，形状记忆合金可被评估为在特定环境下不能保持标 准形状的不稳定材料。然而，在利用这些特性时，该材料可有用地用于各 个领域，如人造器官、或者医疗设备(如用于骨科的接骨板)、或者火警 警报。

干细胞是能够分化成各种躯体组织的未分化细胞。此外，干细胞具有 所谓的全能特性，即当满足预定条件时，所述细胞可以生长成人体内的任 何器官。

同时，在反复开发各种电子装置如计算机、移动电话和电视机时，用 于电子产品的装置如显示装置或能量装置在性能上得到改善并且变薄。此 外，最近不断地进行努力以不但制造出仅仅是薄且具有高性能的装置，而 且实现使用常规装置难以实现的特性，如延展性、柔韧性、拉伸性和可折 皱性。

发明内容

本公开内容的一个目的是提供这样的结构，其外观和构造如延展性、 柔韧性、拉伸性和可折皱性可通过如上所述的外部刺激而无限制地发生二 维和三维变形。

本公开内容的另一个目的是提供由以下结构制成的锂二次电池，所述 结构的外观和构造可通过外部刺激而无限制地发生三维变形。

在本公开内容中，术语“极度可变形结构”可以与术语“形状转换结 构”互换使用，并且也可以用于指“可以二维和三维方式极度变形的结构”。 此外，作为“极度可变形结构”的特性，在该结构发生极度折皱之前和之 后保持工作性能而无任何变化，并且术语“可逆地可折皱”也可用于指该 结构自由地回到初始状态。

下文中，除非特别提及，否则其中单元元件(unitcell)之间的距离 变大使得该结构具有用于嵌入的形式的情况被描述为活跃态，并且其中单 元元件之间的距离最小的情况被描述为潜伏态。

此外，除非在本公开内容中特别提及，否则所谓的位移或变形不仅包 括结构的二维变化，还包括结构的三维变化。

下文中，为了表现在层次结构中构成相同维度的组件(分离结构、单 元元件、位移单元等)，将同时使用术语如基本和(一级)至(n)级。此 外，当涉及所有的维度彼此不同的组件时，或者描述组件的一般特性时， 仅使用各组件的名称。

此外，术语“包括”、“具有”或“包含”旨在表明存在说明书中所描 述的特性、数目、步骤、操作、组件、部分或其任意组合，并且应当理解 不预先排除存在或添加一个或更多个其他特性或数目、步骤、操作、组件、 部分或其任意组合的可能性。

术语“单电池单元(cellunit)”或“部分单元”用于指为便于描述而 概念性地涵盖说明书中所描述的锂二次电池的具体组件，并且应当理解为 与锂二次电池运行中的单元无关。

下文中，将更详细地描述本公开内容。

根据本公开内容一个示例性实施方案的极度可变形结构可包括具有 嵌入式形式的基本位移单元，其中m个多边形基本单元元件被布置为彼 此相邻，在m个基本单元元件中形成有m个分离部，在基本单元元件之 间形成有将基本单元元件彼此连接的接合部，其中所述接合部具有这样的 接合部式样：其中布置在基本单元元件外部的外接合部和不与基本单元元 件外部接触的内接合部依次重复，并且m个基本单元元件的相对位置根 据接合部的式样而变化，并因此被激活(此处，m为整数4或6)。

图1为示意性说明根据本公开内容一个示例性实施方案的极度可变 形结构从潜伏态变化至活跃态的过程的视图，图2为通过使用以下情况作 为实例来描述各部分名称的概念视图：其中根据本公开内容一个示例性实 施方案的极度可变形结构中所包括的基本位移单元具有四边形外观并且 m＝4。

从图1和图2可以看出，本公开内容的极度可变形结构由基本位移单 元构成。在基本位移单元中，m个多边形基本单元元件被布置为彼此相邻， 并且在m个基本单元元件中形成有m个分离部。

彼此相邻的基本单元元件在彼此分离时通过接合部彼此连接。接合部 由布置在基本单元元件外部的外接合部和不与基本单元元件外部接触的 内接合部构成，并且外接合部和内接合部依次重复以形成接合部式样。

从图1可以清楚地看出，基本位移单元的构造和整个外观通过以下而 变化：其中彼此连接的基本单元元件围绕构成接合部式样的接合部的旋转 运动，以及由各单元元件旋转运动产生的多个单元元件之间的相对位置运 动。

虽然为了便于讨论，图1仅说明了二维变化的一个方面，但是也可以 形成接合部以便能够发生三维旋转。在这种情况下，极度可变形结构包括 所谓的可逆的可折皱性。

图1中的上图和下图分别说明了由四个四边形基本单元元件构成的 基本位移单元和由六个三角形基本单元元件构成的基本位移单元。

四边形位移单元包括其中的四个分离部和四个单元元件，所述单元元 件包括在各分离部的一端形成的接合部。形状从左上部的单元元件顺时针 依次被称为单元元件₁至单元元件₄，并且布置在单元元件₁与单元元件₂之间的分离部被称为分离部₁。同时，接合部₁为在分离部₁与位移单元的 外线彼此相遇的部分处形成的接合部，其具有外接合部的形式。相反，分 离部₂布置在位移单元内部，其不与位移单元的外线接触，并因此具有内 接合部的形式。

接合部₁至接合部₄具有外接合部和内接合部的任一种接合部的形式， 并且被构成为使得外接合部和内接合部重复。这是在位移单元变成活跃态 时单元元件可以旋转并运动的条件，意味着彼此相邻的两个接合部(同时 与一个单元元件接触的具有相同维度的接合部)不具有相同的外接合部形 式或内接合部形式。

在图1中，当沿由箭头所示的方向施加力时，单元元件进行旋转运动， 其中单元元件变得彼此远离，同时沿各单元元件内所示的箭头方向旋转。 通过这样的旋转运动，在单元元件之间形成了空的空间，从而位移单元的 整个外观和/或大小在旋转运动期间发生变化。

作为实例，基于图1下部所绘的具有六边形外观的位移单元，描述了 位移单元的基本结构和在该结构变成活跃态时出现的变化。

该六边形位移单元包括六个相邻的单元元件、其中的六个分离部和在 各分离部的一端形成的接合部。连接相邻单元元件的接合部具有这样的接 合部形式：其中外接合部和内接合部依次交替地形成，使得与一个单元元 件接触的两个接合部彼此不同。在图1中，当向六边形位移单元沿箭头方 向施加力时，各单元元件变成活跃态，同时沿单元元件内所示的箭头方向 进行旋转运动，并且在使得各单元元件尽可能远离时，在单元结构中形成 了由单元元件包围的空的空间，并且单元元件最终变形成最右边的形式。

同时，本公开内容的极度可变形结构可以由n级层次结构构成，所述 n级层次结构包括(一级)位移单元至(n)级位移单元(在此，n为2 或更大的整数)。

所述层次结构是指通过反复添加包括单元元件和接合部式样的位移 单元而形成的结构。如例如图4至图8所述，当极度可变形结构如上所述 形成为具有层次结构同时使得维度不同时，该极度可变形结构呈现出看上 去像是平铺式样，其中预定式样在处于潜伏态的极度可变形结构的表面上 形成。

同时，本说明书的第一部分描述了通过反复添加包括单元元件和接合 部式样的位移单元来形成层次结构的方法，但是极度可变形结构也可具有 所谓的自上至下(top-down)层次结构，其包括基本位移单元(包括基本 接合部式样和基本单元元件结构)和上级位移单元(包括各自在基本位移 单元内形成并且形成为具有上部式样的上级接合部式样，和上级单元元件 结构)。

图3是用于描述具有二级层次结构的极度可变形结构的接合部式样 的概念视图，该极度可变形结构为这样的极度可变形结构(左侧)：其中 根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式形式的材料的(一级) 接合部式样为α型，并且向(一级)位移单元添加具有α型接合部式样的 (二级)位移单元；以及这样的极度可变形结构(右侧)：其中向具有β 型(一级)接合部式样的(一级)位移单元添加具有α型接合部式样的(二 级)位移单元。

参照图3，可以看出，具有二级或更多级层次结构的极度可变形结构 的接合部式样的整个形式可根据(一级)接合部式样和(二级)接合部式 样中所包括的接合部的相对形式的差异而变化。

在其中不形成如图1的层次结构的位移单元的情况下，通过外接合部 和内接合部的相对位置示出了嵌入式形式的差异，但是在具有二级或更多 级层次结构的极度可变形结构的情况下，包括在各n级位移单元中并且位 于相应位置的接合部是否具有相同的接合部形式或彼此不同的接合部形 式是区分开的，并且因此处于活跃态的极度可变形结构的形式也可发生变 化。

例如，当使m个(二级)单元元件彼此连接的(二级)接合部₁至(二 级)接合部_m具有这样的接合部形式时：其中外接合部和内接合部各自布 置在与对应于将m个(一级)单元元件彼此连接的(一级)接合部₁至(一 级)接合部_m的位置相同的方向，(一级)接合部式样和(二级)接合部 式样两者均具有α型接合部式样；而当接合部具有彼此不同的接合部形式 时，则(一级)接合部式样具有α型接合部式样并且(二级)接合部式样 具有β型接合部式样。

特别地，这样的极度可变形结构可根据各n级所包括的接合部形式与 (一级)分离结构的接合部形式是否相同或彼此不同而分类为至少两种接 合部式样，并且可具有α-α型和β-α型的接合部形式(分别如图3的左侧 和右侧所示)：其中(一级)位移单元和(二级)位移单元中各自包括的 接合部式样彼此相同的情况与接合部式样彼此不同的情况是区分开的并 且具有二级或更多级层次结构。

极度可变形结构具有的层次结构越高级，接合部形式可具有越多的种 类，并且当改变层次结构的数目和接合部形式的类型时，可调节嵌入式形 式(处于活跃态的外观)。

此外，根据本公开内容的一个示例性实施方案，在本公开内容的极度 可变形结构中，(一级)位移单元包括m个基本位移单元；在m个基本 位移单元中形成有m个分离部；在基本位移单元中形成有将基本位移单 元彼此连接的接合部，所述接合部具有这样的(一级)接合部式样：其中 布置在基本位移单元外部的外接合部和不与基本单元元件的外部接触的 内接合部依次重复，并且m个基本位移单元的相对位置根据接合部式样 而改变。

此外，根据本公开内容的另一个示例性实施方案，在本公开内容的极 度可变形结构中，(n)级位移单元包括m个(n-1)级位移单元；在m个 (n-1)级位移单元中形成有m个分离部；在(n-1)级位移单元中形成有 将(n-1)级位移单元彼此连接的接合部，所述接合部具有这样的(n)级 接合部式样：其中布置在(n-1)级位移单元外部的外接合部和不与基本 单元元件外部接触的内接合部依次重复，并且m个(n-1)级位移单元的 相对位置根据接合部式样而改变。

根据本公开内容的又一个示例性实施方案，在本公开内容的极度可变 形结构中，位移单元的接合部式样各自具有接合部₁至接合部_m，接合部 ₁至接合部_m各自具有选自外接合部和内接合部的接合部形式，并且彼此 相邻的接合部包括与接合部形式不同的α型接合部形式以及具有与α型接 合形式相反的接合部形式的β型接合部形式。

根据本公开内容的再一个示例性实施方案，本公开内容的极度可变形 结构的特征在于，在(一级)位移单元至(n)级位移单元中，α型接合 部式样与β型接合部式样依次交替地形成。

图4示出了其中根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式 形式的极度可变形结构具有四级层次结构的情况。图3中的上图和下图示 出了其中所有的一级至四级层次结构具有α型分离结构的情况，以及其中 一级至四级层次结构依次交替地具有β型和α型的实例。

图5示出了其中在具有四级层次结构时，根据本公开内容一个示例性 实施方案的具有潜伏形式的材料通过拉伸而从潜伏态变成活跃态的过程。

参照其中图4所示的极度可变形结构变成活跃态的过程，可以清楚地 看到，其中一级位移单元至四级位移单元的各维度具有α型接合部式样的 情况(上侧)在最终活跃状态的构造和形式上不同于其中位移单元的各维 度具有β-α-β-α接合部式样的情况。即，当层次结构的级数和各级的接合 部式样改变时，可以看出活跃态允许极度可变形结构具有不同的形式，即 使该结构具有相同的外观。

以上通过使用其中结构彼此相同的实例描述了包括在极度可变形结 构中的具有相同级数的单元元件，但必要时，即使具有相同级数的单元元 件也可以具有不同的式样，或者一些单元元件可以不具有分离结构。然而， 即使处于潜伏态的外观几乎相同，由于这样的变形，处于活跃态的形式也 可以变化。

图6说明了其中根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式 形式的极度可变形结构具有三级层次结构的情况。图6的上图和下图是这 样的实例：通过以下过程来调节其中具有三级层次结构的材料处于活跃态 的情况下的形式和面积：调节在一级单元元件之中上部的各级单元元件和 其他一级单元元件的分离结构的种类。

该实例说明了这样的实例(上部实例)：其中所有的一级接合部式样、 二级接合部式样和四级接合部式样具有α型接合部式样的三级单元元件， 以及具有其中α型接合部式样和β型接合部式样各自混合并用于二级接合 部式样的分离结构的三级单元元件；或者这样的实例(下部实例)：其中 零级单元元件(其中不包含另外的分离结构)和其中α型接合部式样与β 型接合部式样依次示出的三级单元元件同时存在。图7是根据本公开内容 一个示例性实方案设计的具有嵌入式形式的极度可变形结构的一个实例， 并且上部、中部、下部的三个实例为示出极度可变形结构在潜伏态中具有 相似外观，但在活跃态中根据各层次结构的级数和各级的分离结构所具有 的形式而具有不同形式和面积的视图。

即，根据极度可变形结构的级数，在各单元元件内是否形成具有较高 维度的位移单元，以及在具有各维度的极度可变形结构内所形成的接合部 式样类型，可提供具有多种嵌入形式和面积(包括单元元件之间的面积) 的极度可变形结构。此外，如上所述的极度可变形结构的嵌入形式可以可 逆地表达，并且可提供具有可逆变化形式的结构，使得潜伏态通过预定刺 激来表达，或活跃态通过预定刺激相反地表达。

下文中，将描述制造极度可变形结构的方法。

多种材料可单独地或作为混合物包含在本公开内容的极度可变形结 构中。当将具有抗断裂性的材料如硅酮橡胶(即使通过向接合部施加旋转 动量也不断裂)作为用于极度可变形结构的材料本身应用时，整个极度可 变形结构可以由相同的材料制成。

同时，当使用不具有抗断裂性的刚性材料时，也可具有其中通过向接 合部应用机械连接装置如铰接结构而使单元元件彼此连接的结构。

根据本公开内容的另一个示例性实施方案，在本公开内容的极度可变 形结构中，单元元件和接合部可包括选自以下的任何一种材料：硅酮橡胶、 聚酯树脂、水凝胶、过渡金属、碳纤维及其任意组合。

根据本公开内容的又一个示例性实施方案，在本公开内容的极度可变 形结构中，基本位移单元的接合部由能够进行三维旋转运动的结构构成。 在此，接合部可以是能够进行三维旋转运动的铰接结构。

极度可变形结构可经设计以预先具有特定的层次结构，然后通过3D 打印机制成。反之，极度可变形结构还可通过以下过程来模制：使用3D 打印机等预先制造用于具有特定层次结构的极度可变形结构的模具，并使 用该模具模制聚合物树脂。

此外，极度可变形结构还可通过预先用具有铰接结构等的接合部组装 具有特定尺寸和构造的单元元件来制造。

由该方法制成的极度可变形结构可包括可逆的可折皱性、拉伸特性、 柔韧特性或其任意组合。

此外，本公开内容涉及一种锂二次电池，其包括第一单元；以及封装 第一单元的封装材料。在此，第一单元包括含有正电极活性材料和正电极 集电体的正电极、负电极活性材料和负电极集电体，并且可包括布置成面 向所述正电极的负电极，以及设置在正电极和负电极之间的隔膜。

封装材料由如上所述的极度可变形结构构成，所述极度可变形结构包 括单元元件、将彼此相邻的单元元件在其外侧和内侧连接的接合部、以及 连接所述单元元件的接合部式样。

只要封装材料是具有弹性的材料，可应用封装材料而无特别限制。例 如，硅酮橡胶、聚酯树脂、水凝胶、过渡金属、碳纤维及通过组合这些材 料所产生的材料可用作封装材料。

当将极度可变形结构应用于充当模板的封装材料时，可以以一般的袋 的形式应用所有锂离子电池，其中没有对应于变形(由于单元元件在通过 极度可变形结构旋转时发生变形)而特别制造第一单元。

此外，本公开内容涉及一种锂二次电池，其包括正电极活性材料，布 置成面向所述正电极活性材料的负电极活性材料，设置在正电极活性材料 与负电极活性材料之间的隔膜，以及设置在正电极活性材料和负电极活性 材料各自外侧的正电极集电体和负电极集电体，其中正电极活性材料和负 电极活性材料由以上所述的极度可变形结构构成。

可没有特别限制地应用正电极活性材料和负电极活性材料，只要所述 材料被应用为具有预定厚度或更小厚度，即使其没有弹性亦可。例如，可 逆比容量优良的LiCoO₂、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、LiMn_1/3Co_1/3Ni_1/3O₂等可用 作正电极活性材料。石墨可用作负电极活性材料。

当将极度可变形结构直接应用于正电极活性材料和负电极活性材料 时，可提高活性材料的填充因子，这增加了整个装置的体积内容量，并具 有这样的效果：与其中将极度可变形结构应用于充当模板的封装材料的情 况相比，整个设备的厚度可减小，原因是所述极度可变形结构由一层封装 材料紧密密封。

由于根据本公开内容的极度可变形结构可应用于充当模板的封装材 料，并且可以在构成如上所述的锂二次电池中直接应用于活性材料，所述 锂二次电池可发生适当变形并被制造成适合于客户需求。此外，当包括极 度可变形结构，并且除具有极度可变形结构的构件产品之外构成电池的其 他构件产品可以装配成具有极度可变形结构的单元电池，同时彼此电连接 时，所述极度可变形结构也可应用于除活性材料或封装材料之外的构件产 品。

当极度可变形结构应用于如上所述的锂二次电池的封装材料或活性 材料时，可以赋予锂二次电池柔韧特性、拉伸特性和可逆的可折皱性。即， 可提供这样的锂二次电池，其可因极度可变形结构的特性而无限制地发生 二维和三维变形。

此外，还可通过调节连接封装材料或活性材料(将极度可变形结构应 用于所述封装材料或活性材料)的单元元件的连接部分的特性赋予所述锂 二次电池本身柔韧特性。此外，当调节包括在极度可变形结构中的单元元 件尺寸、层次结构的级数等时，可制造出这样的电极，其不仅可紧密粘附 于规则弯曲表面，而且可以紧密粘附于具有不规则外观的弯曲表面而不发 生提拉，并因此所述电极可有用地用于需要二次电池紧密粘附于弯曲表面 的领域。

当将极度可变形结构应用于锂二次电池的封装材料或活性材料时，在 锂二次电池被极度折皱的情况下的应变仅施加至连接极度可变形结构的 各单元元件的接合部，施加至各接合部的应变不是由折皱产生的应变，而 是由简单弯曲产生的应变，因此，施加于应用极度可变形结构的情况的应 变可显著小于在不应用极度可变形结构的情况下由折皱产生的应变。

此外，当二次电池为可逆地可折皱时，该电池在运输中可以是有利的， 因为其可消除在使用宽基底时产生的空间上的劣势，并且可以以处于折皱 状态的球等形式运输电池。此外，可以加强对突发外力的耐受性，如对破 碎、断裂或弯曲的耐受性。

同时，构成锂二次电池的极度可变形结构的单元电池之间的电连接可 通过使用电线等来串联连接或并联连接。锂二次电池的电池容量和工作电 压可通过调整串联或并联的组合来控制。

例如，当插入单元电池封装材料的第一单元电池的规格为3.7V和 5mAh，并且将总计16个单元电池堆叠成仅一层时，可设定的电池容量 为在3.7V下80mAh。然而，当在一些情况下需要高电压时，可通过形 成由一组第一单元电池通过并联连接构成的第二单元，然后并联地连接各 第二单元来增加电压，并且可通过连接16个单元电池来设定的工作电压 和容量间隔为3.7V和80mAh至59.2V和5mAh。此外，当一个单元电 池封装材料中的第一单元堆叠成多层时，可以无限制地与所堆叠层数成比 例地扩大容量。

因此，包含具有极度可变形结构的封装材料或活性材料的锂二次电池 可具有可无限制设定的电压容量和工作电压，并且必要时还可以不同地设 定其设计。此外，由于近来常规的电极应用方法以不同于其他对柔性锂二 次电池的研究的方式原样使用，所以可容易地确保良好的可逆容量，从而 实现商业化。

根据本公开内容，可以提供这样的结构，其外观和构造如延展性、柔 韧性、拉伸性和可折皱性可通过外部刺激而无限制地发生二维和三维变 形。

此外，通过将根据本公开内容的极度可变形结构应用于锂二次电池， 可控制电池电压或工作电压等，并且可控制弹性应变(其为关于抗断裂性、 小型化、便携性等的重要参数)，因此根据本公开内容的极度可变形结构 可被提供为军用材料中的动力装置、耐磨材料、柔性产品等。

根据下文中给出的详细描述，本申请适用性的进一步范围将变得更明 显。然而应当理解，详细描述和特定实例虽然示出了本公开内容的优选实 施方案，但是仅以举例说明的方式给出，因为根据该详细描述，在本公开 内容的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得明显。

附图说明

附图被包括在内以提供对本公开内容的进一步理解，并且并入其中且 构成本说明书的一部分，所述附图示出了示例性实施方案并与说明书一起 用来解释本公开内容的原理。

在附图中：

图1为描述其中根据本公开内容一个示例性实施方案的极度可变形 结构的基本位移单元从潜伏态变成活跃态的过程的示意图。

图2为通过使用以下情况作为实例来描述各部分名称的概念视图：其 中包括在根据本公开内容一个示例性实施方案的极度可变形结构中的基 本位移单元具有四边形外观并且m＝4。

图3是用于描述具有二级层次结构的极度可变形结构的接合部式样 的概念视图，所述极度可变形结构是这样的极度可变形结构(左侧)：其 中根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式形式的极度可变形 结构的(一级)接合部为α型，并且对应于第一单元元件中上部左侧的单 元元件并在充当(二级)位移单元的(二级)位移单元中形成的(二级) 接合部为α型；以及这样的极度可变形结构(右侧)：其与左侧的实例相 同，但是具有β型(二级)接合部式样。

图4示出了其中根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式 形式的极度可变形结构具有四级层次结构的情况，上部的实例是所有的一 级至四级层次结构均具有α型接合部式样的情况，而下部的实例是示出一 级至四级层次结构具有依次交替的β型和α型的实例。

图5示出了根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式形式 的极度可变形结构具有四级层次结构的情况，并且是示出以下内容的视 图：上部实例是其中所有的一级至四级层次结构均具有α型接合部式样的 材料，下部实例是其中α型接合部式样与β型接合部式样在一级至四级层 次结构中反复形成的材料，并且所述材料各自以逐步方式变形成活跃态。

图6示出了其中根据本公开内容一个示例性实施方案的具有嵌入式 形式的极度可变形结构具有八级层次结构的情况，并且上部实例和下部实 例为这样的实例：通过以下过程来调节其中具有八级层次结构的材料处于 活跃态的情况下的形式和面积：调节在一级单元元件之中右上部的各级单 元元件和其他一级单元元件的分离结构的种类。该实例示出了这样的实例 (上部实例)：其中所有的一级接合部式样、二级接合部式样和四级接合 部式样均具有α型接合部式样的三级单元元件，以及具有其中α型接合部 式样和β型接合部式样各自混合并用于二级接合部式样的接合部式样的 三级单元元件；或者这样的实例(下部实例)：其中零级单元元件(其中 不包含另外的分离结构)和其中α型接合部式样与β型接合部式样依次示 出的三级单元元件同时存在。

图7是根据本公开内容一个示例性实施方案设计的具有嵌入式形式 的极度可变形结构的实例，并且在上部、中部和下部的三个实例为示出极 度可变形结构在潜伏态具有相似外观，但在活跃态根据各层次结构的级数 和各级接合部式样所具有的形式而具有不同的形式和面积的视图。

图8是制造具有通过实施例1中的3D打印机制造的三级层次结构的 材料的实例，并且该材料的接合部式样为样品在潜伏态下的真实图片，在 所述样品中，一级至三级接合部式样全部由α型接合部式样形成。

图9是在将图8的极度可变形结构设定为活跃态时拍摄的图片。

图10是示出了柔性可拉伸电极的导电性的图片，所述电极通过应用 具有根据本公开内容一个示例性实施方案的极度可变形结构的导电性的 集电体而制造。

图11是示出了当将电极放置在球形棒球上时，根据图10制造的柔性 可拉伸电极的导电性的图片。

图12A是实现呈极度可变形结构形式的锂二次电池的电路图。图12B 是64个袋型锂二次电池的图片，所述64个袋型锂二次电池实际上通过使 用镀有镍和铬的铜线以与该电路图相似的方式串联和并联。

图13是示出了制造具有极度可变形结构的锂二次电池的过程的图 片。

图14至16是两个电池单元和连接这两个单元的接合部的机械特性评 估结果，所述电池单元为具有极度可变形结构的锂二次电池中的一个基本 单元。

图17至19是示出具有极度可变形结构的锂二次电池(在图13中完 整制造)的电化学稳定性相对于机械应力的图片。基于正电极活性材料， 所使用的装置的工作电压范围为10V至16.8V，理论容量为106.7mAh。

图20A是其中极度可变形结构最大程度地扩展的图片。图20B是其 中通过使用曲率半径为1cm的棒卷起极度可变形结构的图片。图20C和 20D是评估扁平锂二次电池是否在即使电池被随意弯曲并放入烧杯中时 也工作的图片。

具体实施方式

现在将参照附图详细地给出示例性实施方案的描述。为了参照附图简 要描述，将为相同或等效的组件提供相同的附图标记，并且将不再重复其 描述。下文中，将通过参照关于本公开内容示例性实施方案的附图更详细 地描述本公开内容。

实施例1：具有四级层次结构的极度可变形结构的制造

通过使用3D打印方法制造了具有四级层次结构的极度可变形结构。 作为3D打印机，使用来自StratasysDesignLine的Objet260Connex^TM， 并且制造了极度可变形结构，其中(一级)至(四级)位移单元分别具有 α型、β型、α型和β型接合部式样。

图8为实施例1中通过使用3D打印机制造的具有极度可变形结构的 材料的实例，所述极度可变形结构具有四级层次结构。图8是处于潜伏态 的样品的真实图片，其中由该材料制成的接合部式样中的一级至四级接合 部式样通过依次形成α型和β型接合部式样来制造，并且图9是通过将极 度可变形结构设定至活跃态拍摄的图片。

参照图8和图9，可以证实各单元元件通过外力而旋转且相对运动， 并因此变形成图9的形式(曾为潜伏态)。

实施例2：具有极度可变形结构的电极的制造

使用与实施例1中所使用的相同的3D打印机制造能够制造出极度可 变形结构的模具，并且通过使用该模具来模制由硅酮橡胶制成的极度可变 形结构。

在本实施例中通过使用以下过程在极度可变形结构的表面上形成导 电涂层。

步骤1：通过以下方法使碳纳米管(由HanwhaNanotechCorporation 制造的产品)与咪唑基离子液体混合来制备碳纳米管凝胶。

将20mg单壁碳纳米管放入研钵和研杵中，并将20mg或60mg1- 丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺放入该研钵和研杵中。此后，通 过使用研杵将该混合物充分搅拌约10分钟来获得呈凝胶形式的材料。

步骤2：将所制备的碳纳米管凝胶放入含有20ml甲苯的小瓶中，并 通过使用浴式超声波仪进行超声处理1小时。

步骤3：将由ShinetsuChemicalCo.制造的市售硅酮橡胶KE-441溶 解在步骤2中制备的碳纳米管溶液中。此时，将硅酮橡胶放入其中，使得 硅酮橡胶的含量变为所期望的碳纳米管的含量比。即，向其中放入480mg KE-441以获得包含4重量％碳纳米管的复合材料。然后，以1500rpm的 速度将该混合物搅拌约6小时。通过使用空气喷涂将碳纳米管/聚合物的 混合溶液涂覆在基底上。关于该涂覆方法，在加热板上将由极度可变形结 构构成的基底在50℃下充分预热30分钟，然后在其上喷涂具有预定含量 的混合溶液。在加热板上在50℃下将涂覆膜干燥1小时，然后在真空烘 箱中进一步干燥过夜。

步骤4：为了用酸掺杂所制造的膜，将包含5ml硝酸的培养皿放置 在预热至70℃的加热板上，并使用非常宽的烧杯覆盖上部。约10分钟之 后，使用实验室钳将涂覆有复合电极的膜放置在烧杯中，并再次覆盖烧杯 以使该膜暴露于硝酸蒸汽约30分钟。在酸蒸气掺杂完成之后，将该膜在 真空烘箱中干燥过夜。

将在实施例2中如此制造的形状转换电极处于潜伏态和活跃态的导 电性互相比较，结果示于图10。参照图10，可以证实导电性在潜伏态和 活跃态下均得以保持。

此外，对实施例2中的电极是否即使在弯曲表面中也保持导电性进行 了实验，结果示于图11。参照图11，当固定市售棒球并将形状转换电极 放置在球形弯曲表面的一个表面上时，可以证实形状转换电极在适当的单 元元件之间产生了空间，所述形状转换电极可紧密粘附于球形弯曲表面， 并因此具有呈紧密粘附于球形弯曲表面形式的活跃态。此外，作为当电极 紧密粘附于棒球时使用电灯泡进行导电性测试的结果，可以证实灯泡以与 图10中相似的亮度被点亮，并且形状转换电极即使在电极紧密粘附于弯 曲表面的活跃态下也保持导电性。

实施例3：包含具有三级层次结构的极度可变形结构的封装材料的锂二次电池的制造

制造了包含具有三级层次结构的极度可变形结构的封装材料的锂二 次电池。为了突出由传统方法制造的袋型锂二次电池的可用性，使用由一 束镀有镍和铬的铜线制成的包覆线通过焊接使64个袋型单元电池彼此连 接，所述包覆线是耐弯曲的，从而适合于图12A所示的电路图(参见图 12B)。

正电极铝(各袋型单电池的外部端子)、铝助熔剂(为了促进负电极 镍与铜线之间的接合)和铜皮线用作焊接期间的添加剂。一个单元电池使 用正电极活性材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂-负电极活性材料人造石墨，并且应 用凝胶型LiPF₆-基材料作为电解质。此时，该单元电池的理论容量为 6.7mAh并且预计实际标称容量为5mAh，直至300次循环。当在连接单 元电池时使串联和并联方法变形时，电压和储存容量可改变以便适合于待 应用的应用，并且在本公开内容中，制造了规格为工作电压14.8V-80 mAh、7.4V-160mAh和3.7V-80mAh的装置。特别地，在3.7V-80mAh 的情况下，可以确定该装置通过在极度可变形结构的一个位移单元中堆叠 4个单电池的方法来制造，并因此，可以通过制造装置以在4个位移单元 中具有16个单电池来提高容量。设计容量和工作电压可以通过各级层次 结构的串联连接或并联连接的变形来控制，并且不限于以上所述的容量和 工作电压。作为实例表示的对应于图12至图15的装置规格为7.4 V-160mAh。

由DowCorningCorporation制造的产品RTV-3481是一种硅酮橡 胶，是强度和弹性应变优良的材料之一，其被用作封装材料以便能够产生 弹性变形。所使用的基础材料与固化剂的混合比为20∶1。为了包装通过电 线连接的64个单电池，使用3D打印方法制造了用于制造具有三级层次 结构的极度可变形结构的模具。使用由3DSystemsInc.制造的Project160 作为3D打印机，并且实现了其中所有三级位移单元都具有α型接合部式 样的式样。

在各单电池密封部分上钻两个2mm的孔使得通过电线连接的64个 单电池可被插入封装材料中的预期位置处，因此使用将单电池固定至由 3D打印机制造的模具中的销钉的方法(参见图13A)。由于在模具中存在 穿过单电池的两个长销钉和具有一半高度的两个销钉，使得单电池可以被 布置在封装材料中的厚度方向上以完整地制造，设计64个单电池以使得 x、y和z坐标可以固定在一个位移体中(参见图13C)。

将通过电线连接的64个单电池固定在模具中的预期位置处，将液体 硅酮橡胶在硬化之前倒入模具中(如图13D)，然后从模具中移出装置(如 图13E)，由此完成具有最终极度可变形结构的锂二次电池(如图13F)。

为了证实具有极度可变形结构的锂二次电池对于外部机械应力的电 化学稳定性，如图14至图16，通过指定两个单元位移体和连接位移体的 接合部(铰接)进行了机械特性测试。

在根据本公开内容的极度可变形结构的情况下，向连接单元位移体的 接合部施用比向单元位移体施用的更多的变形，因此，以1Hz的速度进 行了3000次的弯曲(图14)、拉伸(图15)和翘曲(图16)测试以测试 接合部的稳定性，并且以图示出了开路电压的变化。

在拉伸测试的情况下，根据本公开内容的极度可变形结构对应于图1 的上图，即，基本位移单元具有四边形，并且在m＝4的情况下当级数为 1时相邻位移体之间的角度变为90度，这是两个位移体之间的最大角度， 原因是该角度随着级数增加而逐渐减小。因此，通过将极端条件设定为 135度进行测试。结果，证实了开路电压在所有的三个测试中均保持恒定。

所有测试均通过采用直径为1/8英寸的不锈钢管作为基于接合部的轴 进行评估。

图14是弯曲测试之前和之后的图片，以及示出在进行3000次弯曲测 试期间开路电压变化趋势的图。图15是拉伸测试之前和之后的图片，其 中采用直径为1/8英寸的不锈钢管作为轴，并且使一个单元旋转同时使接 合部面对彼此；以及示出在进行3000次拉伸测试期间开路电压变化的图。 将两个基本位移体之间的角度增加至135度。图16是测试之前和之后的 图片，其中采用直径为1/8英寸的不锈钢管作为轴，并且基于该轴使一个 位移体旋转180度同时使接合部面对彼此，即完全形成翘曲；以及示出在 进行3000次翘曲测试期间开路电压的图。

图17示出了在图13中完整制造的设备的充电和放电特性的评估结 果。如从图17中可以看出，证实了第一次放电容量为154.3mAh，第100 次放电容量为146.9mAh，并且库伦效率的最小值为99.4％，最大值为 100.2％且平均值为99.9％。直到第100次的容量衰退为4.8％。

图18是示出所应用的全部正电极活性材料的比重容量变化的图，并 且证实了第一次放电比容量为142.5mAh/g，第100次放电比容量为 135.7mAh/g。图19是可以确定在评估具有极度可变形结构的锂二次电池 的循环期间示出的电压范围和容量变化趋势的图。

图20示出了评估具有极度可变形结构的锂二次电池的拉伸性、柔韧 性和可逆的可折皱性特征的结果。

图20A是其中极度可变形结构最大程度地扩展的图片，图20B是其 中通过使用曲率半径为1cm的棒卷起极度可变形结构的图片，图20C和 图20D是评估扁平锂二次电池是否即使在电池被随意弯曲并放入烧杯中 也工作的图片。

从附图中可以清楚地看到，可以证实，具有极度可变形结构的锂二次 电池即使当锂二次电池最大程度地扩展和随意弯曲时也可正常工作。

前述实施方案和优点仅是示例性的，并且不应认为限制了本公开内 容。本教导可以容易地应用于其他类型的设备。本说明书旨在举例说明， 而不是限制权利要求的范围。多种替代、修改和变化对本领域技术人员是 明显的。本文所述示例性实施方案的特征、结构、方法和其他特性可以以 各种方式组合以获得另外的和/或替代的示例性实施方案。

由于本特征可以以若干形式实现而不偏离其特性，所以还应该理解， 除非另有说明，否则上述实施方案不受任何前文描述的细节限制，而应视 为广泛地在所附权利要求所限定的范围内，因此，落在权利要求的边界和 界限内，或者所述边界和界限的等效范围内的所有改变和修改因此均旨在 包括于所附权利要求中。