隨著可穿戴電子產(chǎn)品市場的不斷擴(kuò)展，柔性和可穿戴式儲能器件越來越受到人們的廣泛關(guān)注。其中，纖維狀電池由于其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出優(yōu)異的柔軟性、可延展性、便攜性和變形適應(yīng)性的特點(diǎn)，非常適合與傳統(tǒng)紡織工業(yè)相結(jié)合而應(yīng)用于可穿戴電子供能領(lǐng)域。近年來，在纖維狀電池領(lǐng)域的研究前沿中，除了實(shí)現(xiàn)更高的電化學(xué)性能外，多功能化、可擴(kuò)展化和集成化系統(tǒng)的開發(fā)也是重要的研究課題。然而，纖維狀電池的發(fā)展仍然存在著許多困難，其中包括封裝困難，電池內(nèi)阻高，耐性差等問題。本文首先簡要闡述了纖維狀電池的設(shè)計原理（如電極制備和電池組裝）及其性能表征（如電化學(xué)和機(jī)械性能），并分類介紹纖維狀鋰基電池、鈉離子電池，鋅基電池和其他新型電池系統(tǒng)。此外，重點(diǎn)介紹了具有環(huán)境適應(yīng)性、刺激響應(yīng)性和可紡織等特殊功能的多功能化器件，以期對未來的研究方向有所啟發(fā)。最后，還討論了實(shí)現(xiàn)這些纖維狀電池在現(xiàn)實(shí)可穿戴應(yīng)用中所面臨的技術(shù)難題，旨在為進(jìn)一步發(fā)展提供有效的改進(jìn)方案。
近日，香港城市大學(xué)支春義教授課題組總結(jié)了纖維狀電池的研究進(jìn)展，首先介紹了纖維狀電池的設(shè)計原理，包括電極、電解質(zhì)、器件構(gòu)型和相應(yīng)的制備方法。然后詳細(xì)討論不同纖維狀電池系統(tǒng)的材料制備、電池組裝、電化學(xué)性能和柔性評價等方面的前沿研究，并簡要介紹了各個階段的關(guān)鍵性成果。此外，作者還重點(diǎn)介紹了多功能性、可擴(kuò)展性以及與其他儲能/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成化方面的具有前瞻性的研究成果。最后深入地討論了纖維狀電池在未來可穿戴應(yīng)用中面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，并為其改進(jìn)和發(fā)展提出了可能的解決方案與策略。論文的第一作者為博士研究生莫富年和梁國進(jìn)，通訊作者為支春義教授。
該綜述文章對纖維狀電池材料進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分類。常見的纖維狀集流體為金屬紗線、碳納米管纖維、石墨烯纖維等。電解質(zhì)也是纖維狀電池的另一個重要組成部分，因為它們與電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口以及發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時的離子傳輸相關(guān)。目前，常用的電解質(zhì)一般分為兩類：水系電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)。從形態(tài)上來看，電解質(zhì)還可以分為三類：液體、凝膠和固態(tài)電解質(zhì)，其中凝膠電解質(zhì)因其良好的柔韌性和穩(wěn)定性，特別適合應(yīng)用于纖維狀電池。纖維狀器件一般分為平行、扭曲和同軸結(jié)構(gòu)三種構(gòu)型。
自開發(fā)以來，纖維狀的非質(zhì)子鋰基電池由于其重量輕、輸出電壓高、長期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，吸引了大量研究者的興趣。
圖 1. 纖維狀鋰離子電池示意圖。
近年來，由于鈉元素豐富的資源和易獲得性，鈉基電池作為一種潛在的鋰離子電池替代能源受到了廣泛的關(guān)注。鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的插層/脫層機(jī)制，可以通過使用類似的策略和技術(shù)來制備。
圖 2. 纖維狀鈉離子電池。
除了更高的電化學(xué)性能外，多功能化、集成化和可擴(kuò)展性等方面的研究進(jìn)展也是近年來纖維狀電池研究領(lǐng)域的主要課題。在多功能化方面，纖維狀電池器件能夠結(jié)合其他特定功能，如在防水/防火能力方面的環(huán)境適應(yīng)性，以及對外部刺激的響應(yīng)性（如自愈合和形狀記憶）。為了穩(wěn)定、高效地實(shí)現(xiàn)功能化和良好的電化學(xué)性能，需要對功能性材料、電池結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了精確的設(shè)計。
圖 3. 自愈合與形狀記憶纖維狀電池
最近，許多研究者致力于將纖維狀電池與超級電容器或能量轉(zhuǎn)換裝置等系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集成化系統(tǒng)，使得一個綜合器件能同時實(shí)現(xiàn)高能量和功率密度或通過收集轉(zhuǎn)換環(huán)境能源的自供電功能。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。
圖 4. 纖維狀器件的集成化系統(tǒng)。
考慮到其可擴(kuò)展性，柔性和可穿戴的儲能紡織品代表了纖維狀電池發(fā)展的一個有前景的未來發(fā)展趨勢，但這種發(fā)展必然需要更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)雜的制造工藝。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了兩種制備儲能紡織織物的常用方法：（i）將一些纖維狀電池縫合在一塊現(xiàn)有的織物上；（ii）用纖維狀電池當(dāng)作縫紉線制作比較松散的梭織/針織儲能織物。
圖 5. 可縫在現(xiàn)有織物上的纖維狀電池。
梭織/針織幾塊纖維狀電池，形成一塊有點(diǎn)松散地能源紡織品，也是目前技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的另一種可行策略。開發(fā)非常纖細(xì)的紗線電池使其呈現(xiàn)柔軟的質(zhì)地，讓穿著的人獲得舒適的同時還能提供優(yōu)異的電池性能也是目前纖維狀電池研發(fā)的重要目標(biāo)之一。
圖 6. 梭織/針織織物電池
在可穿戴方面，纖維狀電池往往產(chǎn)生以下技術(shù)難點(diǎn)：1. 高內(nèi)阻。纖維狀電池的細(xì)長結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致其具有非常高的內(nèi)阻，2. 制備困難。在制造過程中，采用長而薄的電極就必須非常小心地避免短路發(fā)生。3. 隔膜設(shè)置困難。在兩個細(xì)長電極之間設(shè)置隔膜要比在兩個平面結(jié)構(gòu)電極之間設(shè)置困難很多。4. 封裝困難。目前的大多數(shù)報道的纖維狀電池都沒有深入探討封裝的問題。5.直徑太大。電池是一種帶有電解質(zhì)、分離器和兩個電極的電化學(xué)裝置，因此目前的纖維形狀的電池通常比普通的紗線厚得多。6.機(jī)械性能不足以進(jìn)行機(jī)器紡織。纖維狀電池的拉伸強(qiáng)度和表面摩擦力與傳統(tǒng)紗線有很大的不同。7.難以實(shí)現(xiàn)的紗線質(zhì)地。目前報道的大多數(shù)的纖維狀電池都僅有塑料線的質(zhì)地，而不是柔軟的紗線質(zhì)感。
綜上所述，纖維形狀電池領(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，本文綜述從電極制備、新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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。另外，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。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902151
