周光敏团队ACS Nano：用于可穿戴电子设备的柔性锌基电池的合理设计

5G和物联网的出现催生了人们对可穿戴电子设备的需求。然而，目前缺乏合适的柔性储能系统已成为可穿戴电子设备的“致命弱点”。在电池结构从传统到柔性的转变过程中，相应产生的附加问题对电池设计提出了严峻的挑战。

在此，清华大学周光敏团队对用于可穿戴电子设备的柔性锌基电池合理设计进行了综述研究。本综述全面回顾了目前开发柔性锌基电池的进展，包括其电解质、阴极和阳极，并从其合成、表征和性能验证方面进行了讨论。

通过阐明柔性锌基电池设计中的挑战，作者总结了以往研究的方法，并提出了未来发展的挑战。最后，总结了锌基电池的研究范式，以适应在迭代过程中不断增长的可穿戴电子设备的需求将有助于锌基电池未来的发展。

图1. ZIBs和ZABs的机理示意图

锌基电池除高比容量、低成本的正极材料和高安全性等优势外，锌基电池还显示了用于可穿戴设备的高适应性。为了清楚地说明问题，本文提供了一个与可穿戴电子设备发展相对应的锌基电池的指南主要分为三个主要阶段：

第一阶段：实际操作的评估

为了满足自由穿戴和便携利用的需求，锌基能源必须具有在复杂环境中稳定运行的能力。因此，提高柔性电池的力学性能是迫切需要的，这表明凝胶电解质改性和一体化制造方法具有广阔的发展前景。同时，在超高温或超低温下工作的能力是未来锌基电池的另一个优势，这正在成为当前研究的热点问题。

第二阶段：多功能可穿戴设备合作

除了面向功能的可穿戴传感器，在物联网和5G技术的时代，越来越多的研究人员青睐提供更多交互使用体验的多功能可穿戴电子系统。对于双功能系统，除了电池本身的性能，还需要考虑更多的因素，包括可穿戴设备的适应性和与其他部分的配合。

第三阶段：小型化设备中的新电池设计

随着下一代可穿戴电子产品呈现出明显的小型化和集成化趋势，一些研究人员提出了一种微型可穿戴或可植入电子产品的无电池设计，以满足其电源需求。除了传统的小而轻的电池，这些小型化电子产品使用无线电源。

基于上述挑战，作者根据可穿戴设备在不同维度的需求，从实验和理论两个角度对锌基柔性电池的发展提出了展望。

对于电池研究者，作者提出了一些具体的建议：① 面向商业化的柔性锌基电池体系亟待评价；② 柔性锌基电池电化学窗口的扩大；③ 人工智能辅助电池机理探索；④ 利用生物材料实现环保生产和绿色化学；⑤ 下一代电池封装技术揭示了柔性能源的无限潜力。

图2. 可穿戴设备和柔性锌基电池的发展趋势

Rational Design of Flexible Zn-Based Batteries for Wearable Electronic Devices, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.2c09509