支春义教授AM综述: 纤维状电池的多功能性、可扩展性和技术难点

成果简介

随着可穿戴电子产品市场的不断增长，柔性和可穿戴式储能装置受到越来越多的关注。纤维状电池显示出独特的一维结构，具有优越的灵活性、小型化潜力、对变形的适应性和与传统纺织工业的兼容性，特别有利于可穿戴应用。近年来，在纤维状电池领域的研究前沿，除了具有更高的性能外，多功能、可扩展和可集成系统的发展也是主要主题。然而还存在着许多难题，包括隔膜的封装难、内阻高，耐久性差。

论文综述了纤维状电池的设计原理（如电极制备和电池组装）和器件性能（如电化学和机械性能），包括锂基电池、锌基电池和其他一些有代表性的系统。重点研究具有环境适应性、刺激响应性和可扩展性到能源纺织品的多功能器件，希望对未来的研究方向有所启发。最后，作者还讨论了这些电池在实际可穿戴应用中的技术挑战，旨在为进一步改进提供可能的解决方案和新见解

内容概要

本文首先介绍了纤维状电池的设计基础，包括典型的电极、电解质、器件结构和相应的制作方法。然后，详细讨论了电极制备、电池组装、电化学性能和柔性评价等方面的前沿研究，并简要介绍了各个步骤的关键成果。然后重点介绍了多功能性、可扩展性以及与其他储能/转换系统的集成的前瞻性探索方向。最后，讨论了纤维形状电池在未来可穿戴应用中面临的主要挑战，为所需改进提供可能的解决方案和一些见解。

实现所需的柔性电极从根本上需要以下物理化学方面的协同：

i）导电基板和活性材料之间的强界面粘附力；

ii）活性材料在导电基板上的高质量负载以实现电池的高能量密度。

二是利用旋压技术将活性材料（例如聚合物、CNT、氧化石墨烯（GO）和金属氧化物胶体）并入纤维基板，以实现具有固有电化学特性的混合纤维电极。三是在纤维基板表面原位生长/合成活性材料。

上述方法各有优缺点，纤维电极制备方法的选择取决于实际的应用要求和相应优缺点的平衡。图1为各种电极和集流器的示意图和SEM图。

图4 水/防火纤维状电池

主要包括细长结构引起的高内阻、制造难度、隔膜放置的难度、封装难度、厚度最小化难度、机织/针织的机械性能不合格、纱线结构实现难度、安全问题、多功能性和集成性、纤维电池作为电池等。

全文总结

近几年来，纤维状电池领域发展迅速，取得了巨大的成就，在实际的可穿戴应用中显示出巨大的前景。因此，本文从电极制备、新颖的结构设计、电化学性能和柔性评价等方面综述了与所取得的关键进展相关的最新纤维状电池系统。将继续致力于追求更高的电化学性能、新材料、有效的制造策略和降低成本。从纤维状电池到织物基电池的大规模生产过程，具有高通量、生物相容性和穿着舒适性，对可穿戴应用具有重要意义。

此外，通过对新型智能功能材料的优化以及与基本纤维状结构的巧妙配合，可以实现多功能化，这对于拓宽这些一维器件的应用范围至关重要。有时，特定功能和电化学性能不能同时得到改善；在这种情况下，必须达到平衡。从光伏转换装置、纳米发电机和卫生保健传感器等多学科研究领域集成纤维状电池和其他系统，对消费者具有更高的应用价值，并可能在未来的研究领域带来技术革命。

文献信息

An Overview of Fiber-Shaped Batteries with a Focus on Multifunctionality, Scalability, and Technical Difficulties（Advanced Materials 2019, DOI: 10.1002/adma.201902151）