纖維狀電池可能在將來的研究范疇帶來技術性革命

引言：隨著可穿戴電子產品市場的不斷增長，柔性和可穿戴式儲能裝置受到越來越多的關注。纖維形狀的電池顯示稀神奇的一維結構，具有優越的靈活性、小型化潛力、對變形的適應性和與傳統紡織工業的兼容性，特別有利于可穿戴使用。近年來，在纖維形狀電池范疇的研究前沿，除了具有更高的性能外，多功能化、可擴展性和可集成系統的發展也是緊要課題。然而，仍舊存在著許多困難，包括封裝和隔膜安裝困難，電池內阻高，耐久性差等。

【成果簡介】

近日，香港城市大學支春義教授綜述了纖維狀電池的設計原理（如電極制備和電池包裝）和器件性能（如電化學和機械性能），包括鋰基電池、鋅基電池和其他一些有代表性的系統，并重點解析具有環境適應性、刺激應和性和可擴展性儲能紡織品的多功能化器件，希望對將來的研究方向有所啟發。最后，還討論了這些電池在實際可穿戴使用中的技術難點，旨在為進一步改進提供可能的處理方案和新見解。該綜述發表在Adv. Mater.上，題目為“An Overview of Fiber-Shaped Batteries with a Focus on Multifunctionality, Scalability, and Technical Difficulties”。

【圖文解析】

1.纖維狀電池設計原理——三種纖維狀電池構型的示意圖

2.纖維狀電池研究進展

2.1纖維狀電池發展時間表

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

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

4.從纖維狀電池到織物電池

4.2梭織/針織織物電池

以上內容主要解析了纖維形狀電池的設計基礎，包括典型的電極、電解質、器件結構和相應的制作辦法。然后，具體討論了不同纖維狀電池系統的電極制備、電池包裝、電化學性能和柔性評價等方面的前沿研究，并簡要解析了各個步驟的關鍵成果。多功能性、可擴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將來可穿戴使用中面臨的主要挑戰，并且為所需改進提供可能的處理方案和一些見解。其主要見解如下：作者認為對于纖維形狀電池的將來使用，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動智能紡織品的結構材料電池系統，因為它們體積小、便攜性和適應性強。另一個方向是可穿戴儲能紡織品。將來智能織物電池在儲能紡織品、結構材料電池或其他替代系統中的選擇很大程度上取決于詳盡情況和要求。盡管纖維形狀電池的發展付出了巨大的努力，但在這些基本的可穿戴設備實際可用之前，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，處理以下幾個方面涉及的技術問題對于未來將現有的學術研究成果轉化為實際使用至關緊要。

1. 細長結構引起的高內阻

這種細長結構的纖維狀電池的第一個問題是其內阻。據報道，大多數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，尤其是當放大纖維在變形狀態下工作時，電阻越高對電化學性能的不利影響越分明。電池內阻包括以下幾個方面：纖維電極的導電性、電解質與電極之間的界面電阻和電解質的離子導電性。

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格和復雜。主要問題在于一維幾何結構與分立元件的有限自由運動之間的復雜相互依靠性，特別是考慮到電池的靈活性、適應性和性能的協調時。此外，還應仔細考慮其他挑戰，如活性物質溶解、組件間粘附力、電解質泄漏和沉降等。

3. 隔膜設置困難

柔性儲能器件通常需要安置隔膜，因為在實際使用中，兩個電極接觸造成短路的風險很大。使用隔膜是避免這種情況發生的有效策略。但是，與夾層結構的平面電池不同，要怎么樣在纖維狀結構的電池器件中安置隔膜依然是個巨大挑戰。在試驗室研究中，大多數報導的纖維狀電池使用聚合物凝膠電解質作為隔膜，但聚合物電解質有限的機械強度仍不足以滿足實際要求，尤其是在施加較大變形時，凝膠狀的電解質往往難以承受。對于將來的可穿戴使用，安置有效的隔膜能有效保證電池的長期的穩定性，但考慮到纖維狀電池的細長結構，要怎么樣優化隔膜與其他內層組件間的適應性以適應各種復雜的變形依然是需要急切處理的難題。

4. 封裝困難

在纖維狀電池的實際使用中，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，尤其是那些非得將空氣電極暴露在空氣中以進行氣體擴散的空氣電池來說，封裝過程更具挑戰性。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廣泛使用于柔性封裝層，但其對于水蒸氣和氧氣屏障功能還遠遠不能令人滿意。此外，在纖維狀電池集成到穿戴布料或紡織品中之后，它們非得能夠經受長期的水洗和汗液滲透。然而，金屬負極（例如鋰和鈉金屬線）和有機電解質通常都需要嚴格的疏水性封裝來戒備水的侵入，有些文獻報道已經嘗試了一些封裝技術，但沒有實行嚴格而全面的防水性能探測。此外，封裝材料極大地增加了纖維狀電池的直徑，會對靈活性萌生了不利影響，因此目前需要更有效的封裝策略來實現能像一般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不令人滿意，因為其復雜的結構由幾個必不可少的組件組成，包括電極、電解質和隔膜/封裝層，它們的重疊效應不可避免地增加了電池的體積和厚度。此外，器件構型是另一個緊要因素。例如，由于同軸型纖維狀電池的多層結構，其電池直徑往往大于2 mm，相比起來，平行和扭曲結構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，現有的纖維形狀電池的直徑確實太大，遠遠無法滿足大規模梭織/針織的需求，當前技術依然難以實現能想純天然/合成織物一樣質地致密而柔軟的儲能紡織品。

6. 機械強度低

目前，對于使用機器的制造工藝研究很少，大多數纖維狀器件都是手工制備和編織成紡織品的。基于現有的技術，要怎么樣實現纖維狀電池的大規模加工，以及要怎么樣采用機器梭織/針織辦法簡便地將纖維狀電池編織成透氣的儲能紡織品，還是個有待處理的難題。梭織/針織技術方面，CCI劍桿梭織機和Stoll針織機通常對紗線施加400-800 MPa的拉伸應力。雖然應力不是很高，但萌生的摩擦力也不能忽略。此外，在纖維狀電池的研究中，應重視每個纖維狀組件的力學性能。對于大多數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，其機械強度（10-2-10-3MPa）遠不足能夠進行工業化梭織/針織的要求。如果采用高強度的導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致儲能紡織品的內部組件滑移。另外，在梭織/針織過程中，當纖維狀電池單元的原始形狀不可避免地發生嚴重變形時，要怎么樣保持其電化學性能更是一個重大挑戰。

7. 紗線質感難以實現

纖維是制造紡織品的基礎單位。成束的長絲或穩定的纖維同軸旋轉纏繞一起所形成的線，稱為“紗線”，紗線可以進一步梭織/針織成紡織物產品。當紗線的直徑不大于10μm時，就會呈現柔軟的質地，讓穿著的人獲得舒適的感受。然而，基于目前的制造技術，要使纖維狀電池與天然/合成纖維一樣柔軟是不可能的，因為纖維狀電池通常被凝膠電解質和/或彈性體涂層所傾覆達到封裝的目的。現有的纖維狀電池的質感更像是塑料線而不是紗線。

8. 缺乏評估機械性能的探測標準

雖然人們已經在電池性能和器件構型的研究方面取得了巨大的進步，但要怎么樣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，這種長而細的結構在進行機械性能探測時很容易導致纖維狀電池和探測夾具之間的滑移。此外，對于傳統的電子拉伸機，由于纖維形狀電池的機械強度較低，需要更靈巧的應力傳感探頭。由于這些局限性，大多數報道的工作通常采用簡單的彎曲、扭轉和拉伸實驗來測定纖維狀電池的機械柔韌性和耐久性，而并沒有獲得與模量、拉伸強度等有關的定量數據，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的標準去評估纖維狀電池的機械靈活性和耐久性。

9.安全性問題

在實際的可穿戴使用中，纖維狀電池與人體的筆直接觸是不可避免的，因此，確保這些電池絕對安全是至關緊要的。第一個主要的安全問題是有害物質泄漏和毒性問題。例如，一些腐蝕性或易燃的電解質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，目前已經開發出無毒的電極材料和溫柔的水性電解質以處理這類問題。此外，采用聚合物凝膠或固體電解質代替傳統的有機電解質也被認為是避免電解質泄漏的一種有效的處理方案，同時，研究人員還應當留意開發一些防泄漏的封裝技術。眾所周知，熱失控問題一直是大功率非質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）容易發生。因此，開發有效的散熱機制以避免過熱是很緊要的，同時還應避免短路問題。

10. 多功能和集成化

多功能化和集成化系統對于張大纖維狀電池的使用范圍是至關緊要的。例如，就多功能化而言，電致變色，光應和，熱響響應低溫防凍性能，都已經成功在平面電池或纖維狀超電容中實現和優化，但具有這些特殊功能的纖維狀電池卻缺乏相關報導。一種可能的解釋是，由于電池復雜的電化學反應，因此在導電性、透亮性、機械強度等相關材料的選擇標準對于制備電池來說比超級電容器更為嚴格。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構器件要困難得多，因此，大多數改進式嘗試都是首先在平面器件上進行的。在將來的研究中，期望人們下一步能夠將已積累的經驗和技術引入到多功能化纖維狀電池的范疇當中。另外，纖維狀電池與其他系統（如能量轉換器件，自供電發電機和傳感器）的集成是將來一個非常有前景的研究方向。與通過簡單的連接實現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，可同時實現雙重功能。然而，構建這樣一個一體化器件是非常復雜的，需要研究者深入知道不同范疇的科學和技術相互交織的工作機制，還需要對于器件組裝、組件兼容性和能源管理的精心設計。

【小結】

綜上所述，纖維形狀儲能電池范疇在近幾年來發展迅速，取得了巨大的成績，在實際的可穿戴使用中顯示出巨大的前景。因此，該綜述論文從電極制備、新穎的結構設計、電化學性能和柔性評價等方面綜述了至今為止纖維狀電池系統所取得的關鍵性進展。研究者們將持續致力于追求更高的電化學性能，探索新材料、有效的制備策略和降低其加工成本。此外，從一般纖維狀電池到實現具有高性能、生物相容性和穿著舒適性儲能紡織品的大規模加工化，對可穿戴使用具有重大意義。更緊要的是，通過對新型智能功能材料的優化，將其與基本纖維狀結構的巧妙配合，可以實現器件的多功能化，從而有效地拓寬這些一維纖維狀電池的使用范圍。當然，特殊功能和電化學性能有時可可不可以同時在一個器件中得到最佳效果，在這種情況下，兩者間需要達到一個平衡。纖維狀電池與其他系統（如光電轉換系統、納米發電機和醫療傳感器等）的集成化，可以為消費者帶來更高的使用價值，并可能在將來的研究范疇帶來技術性革命。

原標題:支春義Adv. Mater. 綜述： 纖維狀電池的功能性、可擴展性及其技術難題

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