引言：隨著可穿戴電子產(chǎn)品市場的不斷增長，柔性和可穿戴式儲能裝置受到越來越多的關(guān)注。纖維形狀的電池顯示出獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的靈活性、小型化潛力、對變形的適應(yīng)性和與傳統(tǒng)紡織工業(yè)的兼容性，特別有利于可穿戴應(yīng)用。近年來，在纖維形狀電池領(lǐng)域的研究前沿，除了具有更高的性能外，多功能化、可擴(kuò)展性和可集成系統(tǒng)的發(fā)展也是重要課題。然而，依然存在著許多困難，包括封裝和隔膜安裝困難，電池內(nèi)阻高，耐久性差等。

【成果簡介】

近日，香港城市大學(xué)支春義教授綜述了纖維狀電池的設(shè)計(jì)原理（如電極制備和電池組裝）和器件性能（如電化學(xué)和機(jī)械性能），包括鋰基電池、鋅基電池和其他一些有代表性的系統(tǒng)，并重點(diǎn)介紹具有環(huán)境適應(yīng)性、刺激響應(yīng)性和可擴(kuò)展性儲能紡織品的多功能化器件，希望對未來的研究方向有所啟發(fā)。最后，還討論了這些電池在實(shí)際可穿戴應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)，旨在為進(jìn)一步改進(jìn)提供可能的解決方案和新見解。該綜述發(fā)表在Adv. Mater.上，題目為“An Overview of Fiber-Shaped Batteries with a Focus on Multifunctionality, Scalability, and Technical Difficulties”。

【圖文介紹】

1.纖維狀電池設(shè)計(jì)原理——三種纖維狀電池構(gòu)型的示意圖

2.纖維狀電池研究進(jìn)展

2.1纖維狀電池發(fā)展時間表

2.2纖維狀鋰硫離子電池

2.3纖維狀鈉基電池

2.4纖維狀鋅基電池

2.5纖維狀鋰空氣電池

2.6纖維狀鋅空氣電池

3.多功能化與集成系統(tǒng)

3.1防水/火型纖維狀電池

3.2形狀記憶型與自愈合型纖維狀電池

3.3.可打印的纖維狀電池

3.4纖維狀電池集成化系統(tǒng)

4.從纖維狀電池到織物電池

4.2梭織/針織織物電池

以上內(nèi)容主要介紹了纖維形狀電池的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，包括典型的電極、電解質(zhì)、器件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的制作方法。然后，詳細(xì)討論了不同纖維狀電池系統(tǒng)的電極制備、電池組裝、電化學(xué)性能和柔性評價等方面的前沿研究，并簡要介紹了各個步驟的關(guān)鍵成果。多功能性、可擴(kuò)展性和與其他能源整合的前瞻性探索方向。

此外，文章作者也討論了纖維形狀電池在未來可穿戴應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)，并且為所需改進(jìn)提供可能的解決方案和一些見解。其主要見解如下：作者認(rèn)為對于纖維形狀電池的未來應(yīng)用，一個有希望的方向是攜帶一種可充電（微型）電池簇，例如能放置口袋中驅(qū)動智能紡織品的結(jié)構(gòu)材料電池系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈凅w積小、便攜性和適應(yīng)性強(qiáng)。另一個方向是可穿戴儲能紡織品。未來智能織物電池在儲能紡織品、結(jié)構(gòu)材料電池或其他替代系統(tǒng)中的選擇很大程度上取決于具體情況和要求。盡管纖維形狀電池的發(fā)展付出了巨大的努力，但在這些基本的可穿戴設(shè)備實(shí)際可用之前，還需要做很多工作。隨著儲能紡織品的日益普及，除了電化學(xué)性能外，安全性、舒適性、方便性、耐久性等將成為其他主要考慮因素。從我們的角度來看，解決以下幾個方面涉及的技術(shù)問題對于將來將現(xiàn)有的學(xué)術(shù)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

1. 細(xì)長結(jié)構(gòu)引起的高內(nèi)阻

這種細(xì)長結(jié)構(gòu)的纖維狀電池的第一個問題是其內(nèi)阻。據(jù)報道，大多數(shù)纖維狀的器件都是厘米級的，很少有報道提到它們的電阻。然而，隨著電池纖維長度的增加，尤其是當(dāng)放大纖維在變形狀態(tài)下工作時，電阻越高對電化學(xué)性能的不利影響越明顯。電池內(nèi)阻包括以下幾個方面：纖維電極的導(dǎo)電性、電解質(zhì)與電極之間的界面電阻和電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性。

2. 制造困難

與平面電池相比，纖維狀電池的制造工藝要求更為嚴(yán)格和復(fù)雜。主要問題在于一維幾何結(jié)構(gòu)與分立元件的有限自由運(yùn)動之間的復(fù)雜相互依賴性，特別是考慮到電池的靈活性、適應(yīng)性和性能的協(xié)調(diào)時。此外，還應(yīng)仔細(xì)考慮其他挑戰(zhàn)，如活性物質(zhì)溶解、組件間粘附力、電解質(zhì)泄漏和沉降等。

3. 隔膜設(shè)置困難

柔性儲能器件通常需要安置隔膜，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，兩個電極接觸造成短路的風(fēng)險很大。使用隔膜是避免這種情況發(fā)生的有效策略。但是，與夾層結(jié)構(gòu)的平面電池不同，如何在纖維狀結(jié)構(gòu)的電池器件中安置隔膜仍然是個巨大挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室研究中，大多數(shù)報導(dǎo)的纖維狀電池使用聚合物凝膠電解質(zhì)作為隔膜，但聚合物電解質(zhì)有限的機(jī)械強(qiáng)度仍不足以滿足實(shí)際要求，尤其是在施加較大變形時，凝膠狀的電解質(zhì)往往難以承受。對于未來的可穿戴應(yīng)用，安置有效的隔膜能有效保證電池的長期的穩(wěn)定性，但考慮到纖維狀電池的細(xì)長結(jié)構(gòu)，如何優(yōu)化隔膜與其他內(nèi)層組件間的適應(yīng)性以適應(yīng)各種復(fù)雜的變形仍然是需要迫切解決的難題。

4. 封裝困難

在纖維狀電池的實(shí)際應(yīng)用中，有效的封裝是必不可少的。與平面器件相比，對于具有高曲率界面的一維纖維狀器件而言，尤其是那些必須將空氣電極暴露在空氣中以進(jìn)行氣體擴(kuò)散的空氣電池來說，封裝過程更具挑戰(zhàn)性。在封裝材料方面，熱縮管、聚酯薄膜、硅橡膠等聚合物材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于柔性封裝層，但其對于水蒸氣和氧氣屏障功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意。此外，在纖維狀電池集成到穿戴布料或紡織品中之后，它們必須能夠經(jīng)受長期的水洗和汗液滲透。然而，金屬負(fù)極（例如鋰和鈉金屬線）和有機(jī)電解質(zhì)通常都需要嚴(yán)格的疏水性封裝來防止水的侵入，有些文獻(xiàn)報道已經(jīng)嘗試了一些封裝技術(shù)，但沒有實(shí)施嚴(yán)格而全面的防水性能測試。此外，封裝材料極大地增加了纖維狀電池的直徑，會對靈活性產(chǎn)生了不利影響，因此目前需要更有效的封裝策略來實(shí)現(xiàn)能像普通衣服那樣可清洗的理想的纖維狀電池。

5. 尺寸最小化困難

纖維狀電池的柔韌性和柔軟性很大程度上取決于整個器件的直徑。然而，目前報道的纖維狀電池的尺寸遠(yuǎn)不令人滿意，因?yàn)槠鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)由幾個必不可少的組件組成，包括電極、電解質(zhì)和隔膜/封裝層，它們的疊加效應(yīng)不可避免地增加了電池的體積和厚度。此外，器件構(gòu)型是另一個重要因素。例如，由于同軸型纖維狀電池的多層結(jié)構(gòu)，其電池直徑往往大于2 mm，相比起來，平行和扭曲結(jié)構(gòu)的纖維狀形狀電池通常具有相對較薄的直徑（約1-2 mm）。盡管如此，與一般直徑僅為200-300 μm的織物中的天然/合成紗線相比，現(xiàn)有的纖維形狀電池的直徑實(shí)在太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足大規(guī)模梭織/針織的需求，當(dāng)前技術(shù)仍然難以實(shí)現(xiàn)能想純天然/合成織物一樣質(zhì)地致密而柔軟的儲能紡織品。

6. 機(jī)械強(qiáng)度低

目前，對于使用機(jī)器的制造工藝研究很少，大多數(shù)纖維狀器件都是手工制備和編織成紡織品的。基于現(xiàn)有的技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)纖維狀電池的大規(guī)模生產(chǎn)，以及如何采用機(jī)器梭織/針織方法簡便地將纖維狀電池編織成透氣的儲能紡織品，還是個有待解決的難題。梭織/針織技術(shù)方面，CCI劍桿梭織機(jī)和Stoll針織機(jī)通常對紗線施加400-800 MPa的拉伸應(yīng)力。雖然應(yīng)力不是很高，但產(chǎn)生的摩擦力也不能忽略。此外，在纖維狀電池的研究中，應(yīng)重視每個纖維狀組件的力學(xué)性能。對于大多數(shù)報道的由石墨烯或碳納米管基纖維基底制成的纖維狀電池，其機(jī)械強(qiáng)度（10-2-10-3MPa）遠(yuǎn)不足能夠進(jìn)行工業(yè)化梭織/針織的要求。如果采用高強(qiáng)度的導(dǎo)電金屬絲作為纖維集流體，其極差的柔韌性會給編織過程帶來很大的困難，金屬絲的光滑表面也會導(dǎo)致儲能紡織品的內(nèi)部組件滑移。另外，在梭織/針織過程中，當(dāng)纖維狀電池單元的原始形狀不可避免地發(fā)生嚴(yán)重變形時，如何保持其電化學(xué)性能更是一個重大挑戰(zhàn)。

7. 紗線質(zhì)感難以實(shí)現(xiàn)

纖維是制造紡織品的基礎(chǔ)單位。成束的長絲或穩(wěn)定的纖維同軸旋轉(zhuǎn)纏繞一起所形成的線，稱為“紗線”，紗線可以進(jìn)一步梭織/針織成紡織物產(chǎn)品。當(dāng)紗線的直徑不大于10μm時，就會呈現(xiàn)柔軟的質(zhì)地，讓穿著的人獲得舒適的感受。然而，基于目前的制造技術(shù)，要使纖維狀電池與天然/合成纖維一樣柔軟是不可能的，因?yàn)槔w維狀電池通常被凝膠電解質(zhì)和/或彈性體涂層所覆蓋達(dá)到封裝的目的。現(xiàn)有的纖維狀電池的質(zhì)感更像是塑料線而不是紗線。

8. 缺乏評估機(jī)械性能的測試標(biāo)準(zhǔn)

雖然人們已經(jīng)在電池性能和器件構(gòu)型的研究方面取得了巨大的進(jìn)步，但如何公平地比較不同纖維狀電池的“柔韌性”和“耐磨性”仍是一個問題。與平面儲能器件不同的是，這種長而細(xì)的結(jié)構(gòu)在進(jìn)行機(jī)械性能測試時很容易導(dǎo)致纖維狀電池和測試夾具之間的滑移。此外，對于傳統(tǒng)的電子拉伸機(jī)，由于纖維形狀電池的機(jī)械強(qiáng)度較低，需要更靈敏的應(yīng)力傳感探頭。由于這些局限性，大多數(shù)報道的工作通常采用簡單的彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸試驗(yàn)來測定纖維狀電池的機(jī)械柔韌性和耐久性，而并沒有獲得與模量、拉伸強(qiáng)度等有關(guān)的定量數(shù)據(jù)，這種簡單評估顯得有些隨意。在這里，作者呼吁能夠建立一系列系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)去評估纖維狀電池的機(jī)械靈活性和耐久性。

9.安全性問題

在實(shí)際的可穿戴應(yīng)用中，纖維狀電池與人體的直接接觸是不可避免的，因此，確保這些電池絕對安全是至關(guān)重要的。第一個主要的安全問題是有害物質(zhì)泄漏和毒性問題。例如，一些腐蝕性或易燃的電解質(zhì)可能會從電池裝置中泄漏出來，一些重金屬，如含鈷電極材料或催化劑，也會對人體有害。因此，目前已經(jīng)開發(fā)出無毒的電極材料和溫和的水性電解質(zhì)以解決這類問題。此外，采用聚合物凝膠或固體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)電解質(zhì)也被認(rèn)為是避免電解質(zhì)泄漏的一種有效的解決方案，同時，研究人員還應(yīng)該注意開發(fā)一些防泄漏的封裝技術(shù)。眾所周知，熱失控問題一直是大功率非質(zhì)子系電池的常見問題，特別是在超快速充放電過程或危險條件下（如短路和過充電）容易發(fā)生。因此，開發(fā)有效的散熱機(jī)制以避免過熱是很重要的，同時還應(yīng)避免短路問題。

10. 多功能和集成化

多功能化和集成化系統(tǒng)對于擴(kuò)大纖維狀電池的應(yīng)用范圍是至關(guān)重要的。例如，就多功能化而言，電致變色，光響應(yīng)，熱響應(yīng)和低溫防凍性能，都已經(jīng)成功在平面電池或纖維狀超電容中實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，但具有這些特殊功能的纖維狀電池卻缺乏相關(guān)報導(dǎo)。一種可能的解釋是，由于電池復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，因此在導(dǎo)電性、透明性、機(jī)械強(qiáng)度等相關(guān)材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)對于制備電池來說比超級電容器更為嚴(yán)格。此外，在制造過程中，裝配一維纖維狀器件比裝配二維夾層結(jié)構(gòu)器件要困難得多，因此，大多數(shù)改進(jìn)式嘗試都是首先在平面器件上進(jìn)行的。在未來的研究中，期待人們下一步能夠?qū)⒁逊e累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)引入到多功能化纖維狀電池的領(lǐng)域當(dāng)中。另外，纖維狀電池與其他系統(tǒng)（如能量轉(zhuǎn)換器件，自供電發(fā)電機(jī)和傳感器）的集成是未來一個非常有前景的研究方向。與通過簡單的連接實(shí)現(xiàn)儲能與集能的切換功能的集成裝置相比，將一維儲能組件與集能組件集成在一個器件內(nèi)，可同時實(shí)現(xiàn)雙重功能。然而，構(gòu)建這樣一個一體化器件是非常復(fù)雜的，需要研究者深入了解不同領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)相互交叉的工作機(jī)制，還需要對于器件組裝、組件兼容性和能源管理的精心設(shè)計(jì)。

【小結(jié)】

綜上所述，纖維形狀儲能電池領(lǐng)域在近幾年來發(fā)展迅速，取得了巨大的成就，在實(shí)際的可穿戴應(yīng)用中顯示出巨大的前景。因此，該綜述論文從電極制備、新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電化學(xué)性能和柔性評價等方面綜述了至今為止纖維狀電池系統(tǒng)所取得的關(guān)鍵性進(jìn)展。研究者們將繼續(xù)致力于追求更高的電化學(xué)性能，探索新材料、有效的制備策略和降低其生產(chǎn)成本。此外，從普通纖維狀電池到實(shí)現(xiàn)具有高性能、生物相容性和穿著舒適性儲能紡織品的大規(guī)模生產(chǎn)化，對可穿戴應(yīng)用具有重大意義。更重要的是，通過對新型智能功能材料的優(yōu)化，將其與基本纖維狀結(jié)構(gòu)的巧妙配合，可以實(shí)現(xiàn)器件的多功能化，從而有效地拓寬這些一維纖維狀電池的應(yīng)用范圍。當(dāng)然，特殊功能和電化學(xué)性能有時可能不能同時在一個器件中得到最佳效果，在這種情況下，兩者間需要達(dá)到一個平衡。纖維狀電池與其他系統(tǒng)（如光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、納米發(fā)電機(jī)和醫(yī)療傳感器等）的集成化，可以為消費(fèi)者帶來更高的應(yīng)用價值，并可能在未來的研究領(lǐng)域帶來技術(shù)性革命。

原標(biāo)題:支春義Adv. Mater. 綜述： 纖維狀電池的功能性、可擴(kuò)展性及其技術(shù)難題