可穿戴電子設(shè)備日益融入我們的日常生活，從2014年到2019年，可穿戴電子設(shè)備每年都會(huì)增長(zhǎng)25%。而這些可穿戴電子設(shè)備對(duì)人體的監(jiān)測(cè)功能種類在持續(xù)更新?，F(xiàn)如今，血氧檢測(cè)傳感器、體溫檢測(cè)傳感器等有已經(jīng)商業(yè)化，在實(shí)驗(yàn)室中也有許多傳感器正在開(kāi)發(fā)以期實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能如神經(jīng)調(diào)節(jié)、電子皮膚等等。在近幾年中，柔性可拉伸晶體管、傳感器、顯示器和導(dǎo)體的發(fā)展，使得可穿戴設(shè)備發(fā)展出了更多的應(yīng)用場(chǎng)景和功能。而這些柔性電子設(shè)備發(fā)展的一大阻礙就是電池?，F(xiàn)商業(yè)化的電池是非柔性的，這導(dǎo)致電池?zé)o法和這些可拉伸設(shè)備集成。
近十年內(nèi)，有很多科研工作者投入到了柔性電池的研發(fā)工作中。許多可以用于柔性電池的反應(yīng)體系如鋰-空氣電池、Zn/Ag、Zn/MnO2等等體系已經(jīng)被報(bào)導(dǎo)。但是，這些柔性電池的性能還沒(méi)有達(dá)到現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化電池的性能。柔性可拉伸電池仍然還有很長(zhǎng)的路要走。
在材料層面上實(shí)現(xiàn)電池柔性可拉伸的策略
在材料設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)柔性的電池材料主要有四個(gè)策略，分別是彎曲結(jié)構(gòu)策略、2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略、剛性島狀結(jié)構(gòu)策略和本征可拉伸材料策略。用這四個(gè)策略可以實(shí)現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)中包括集流體、電極材料、電解質(zhì)和隔膜材料的柔性化。
在實(shí)現(xiàn)集流體柔性化的策略中，最常用的是彎曲結(jié)構(gòu)策略、2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略和本征可拉伸材料策略三種。彎曲材料策咯主要是在已經(jīng)被拉伸的彈性材料基體上蒸鍍上一層金屬材料，后松開(kāi)被拉伸彈性材料基底得到柔性的集流體。2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略則主要是在多孔海綿狀的彈性基體材料上涂布可導(dǎo)電的石墨烯、碳納米管或則金屬納米顆粒實(shí)現(xiàn)集流體柔性化。而本征可拉伸材料策略主要是將彈性材料基體與碳納米管、納米金屬顆粒共混實(shí)現(xiàn)柔性材料的導(dǎo)電功能。
對(duì)于柔性的電極材料，上述提到的四種策略都十分常用。與實(shí)現(xiàn)柔性集流體不同的是，在負(fù)載導(dǎo)電材料的同時(shí)還需要負(fù)載電化學(xué)活性材料。最值得一提的是2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略因?yàn)榛撞牧系母弑缺砻娣e，可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)活性材料的高負(fù)載率。幾乎所有的電化學(xué)活性材料都是剛性的，有些電化學(xué)活性材料無(wú)法使用彎曲結(jié)構(gòu)策略、2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略和本征可拉伸材料策略來(lái)實(shí)現(xiàn)電極材料的柔性化。而在這時(shí)剛性島狀結(jié)構(gòu)策略在實(shí)現(xiàn)柔性電極上就是十分可靠的策略，如在實(shí)現(xiàn)柔性鋰-空氣電池上，鋰金屬作為電池負(fù)極就使用這一策略。
制備隔膜材料和電解質(zhì)主要通過(guò)2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略和本征可拉伸材料策略實(shí)現(xiàn)。通常，可拉伸隔膜是由包含多孔結(jié)構(gòu)的彈性材料制成，并在其中填充入電解質(zhì)液，以保證兩電極之間不會(huì)短路。而出于電池安全性考慮，關(guān)于凝膠電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的研究變得越來(lái)越多，而電解質(zhì)的超分子的特性可以使得固體電解質(zhì)與電極接觸良好。
在電池結(jié)構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)電池柔性可拉伸的策略
通過(guò)上述策略實(shí)現(xiàn)制備柔性可拉伸的電池組裝材料后，需要將不同策略形成的材料組合組裝成柔性電池。在電池結(jié)構(gòu)層面設(shè)計(jì)柔性電池的策略主要有四種，分別是波浪結(jié)構(gòu)電池、可折疊電池、纖維狀電池和本征可拉伸電池。
波浪結(jié)構(gòu)電池與合成柔性材料時(shí)的彎曲結(jié)構(gòu)策略有一些類似。將電池的整體做成波浪狀，在拉伸時(shí)，波浪逐漸展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)電池整體的柔性可拉伸。這種電池策略有個(gè)最明顯的缺陷就是在反復(fù)拉伸的過(guò)程中電池性能明顯下降。
可折疊電池與波浪結(jié)構(gòu)電池不同，它可以實(shí)現(xiàn)在平面結(jié)構(gòu)上的折疊，其中最有名的就是折紙電池?？烧郫B電池通常是將電極材料涂布于紙上，然后封裝得到。而可折疊電池最大的一個(gè)缺陷就是涉及平面外的形變，使得電池與其他電路元件的封裝變得更加困難。
纖維狀電池已經(jīng)得到了十分廣泛的研究。在這項(xiàng)技術(shù)中，通過(guò)對(duì)纖維拉伸和紡絲的過(guò)程進(jìn)行研究，可以實(shí)現(xiàn)利用剛性材料實(shí)現(xiàn)電池的柔性和可拉伸性。纖維狀電池最常用的做法時(shí)在碳納米管的紗線上負(fù)載不同電化學(xué)活性物質(zhì)，再將這些紗線纏繞再可拉伸的軸線上，最后裹上電解質(zhì)即可。這種方法可以應(yīng)用于多種電池體系如Zn/AgO電池體系、Al/空氣電池體系等等。但是纖維狀電池的缺陷也十分明顯，就是由低活性物質(zhì)負(fù)載率導(dǎo)致的能量密度十分低。
最后一類電池是本征可拉伸電池，這類電池所有的材料都要由可拉伸的彈性材料組成。這類電池采取了傳統(tǒng)電池的堆疊結(jié)構(gòu)，而且具有實(shí)現(xiàn)高能量密度的潛力，因此十分有前景。但是這類電池還沒(méi)有量產(chǎn)的先例。
柔性可拉伸電池面臨的困難和挑戰(zhàn)
盡管在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種各樣的柔性可拉伸電池，但是要想實(shí)現(xiàn)柔性可拉伸電池的產(chǎn)業(yè)化，還有許多技術(shù)難題亟待解決。需要解決的技術(shù)難題主要在以下幾點(diǎn)
1.?能量密度：在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的柔性可拉伸電池的面積容量和電壓都比商業(yè)化的電池更低。而且科研工作者在文章中報(bào)導(dǎo)的柔性可拉伸電池的質(zhì)量容量和體積容量都是基于裝載在電池上的活性物質(zhì)的質(zhì)量或者體積，而不是電池整體。
2.?電池包裝材料：傳統(tǒng)商業(yè)電池的包裝材料通常是鋁或者其他金屬材料，但是為了實(shí)現(xiàn)電池的可拉伸性，柔性的電池包裝材料通常位具有一定彈性的聚合物。這些聚合都有比較大的自由體積，使得這類包裝材料的水氧阻隔性能都不是很好。這對(duì)電池的耐候性有重大影響。
3.?電池結(jié)構(gòu)分層：在柔性可拉伸電池反復(fù)拉伸的過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生堆疊結(jié)構(gòu)的分層問(wèn)題。這類問(wèn)題只能通過(guò)加強(qiáng)柔性電池材料層與層之間的結(jié)合能力解決如通過(guò)氫鍵等分子間作用力。
4.?設(shè)備集成：柔性電池最終還是要和其他柔性電子元件集成成柔性電子設(shè)備。在大多數(shù)文獻(xiàn)中，與柔性電池集成的多是LED燈，而在實(shí)際應(yīng)用中需要與各種復(fù)雜的電子元件傳感器集成。這對(duì)柔性電池儲(chǔ)能密度提出了嚴(yán)苛的要求。
5.?量產(chǎn)：從2010年至2018年，市場(chǎng)對(duì)鋰電池的需求翻了五倍。因此，柔性可拉伸電池需要兼?zhèn)涓邇?chǔ)能密度和易于生產(chǎn)。這對(duì)一些需要復(fù)雜生產(chǎn)工藝的策略如纖維狀電池和2D/3D微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略十分不利。最有可能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的柔性可拉伸電池可能還是有傳統(tǒng)堆疊結(jié)構(gòu)的本征可拉伸電池。
總結(jié)
這篇文章對(duì)實(shí)現(xiàn)柔性可拉伸電池的策略及挑戰(zhàn)進(jìn)行了全面地綜述，為進(jìn)行可拉伸電池地設(shè)計(jì)研究提供了重要參考。這篇文章題為“Enabling?Deformable and Stretchable Batteries”發(fā)表在《Advance Energy Material》上，通訊作者為鮑哲南教授。
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