成果簡(jiǎn)介

隨著可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)，柔性和可穿戴式儲(chǔ)能裝置受到越來越多的關(guān)注。纖維狀電池顯示出獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的靈活性、小型化潛力、對(duì)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，在纖維狀電池領(lǐng)域的研究前沿，除了具有更高的性能外，多功能、可擴(kuò)展和可集成系統(tǒng)的發(fā)展也是主要主題。然而還存在著許多難題，包括隔膜的封裝難、內(nèi)阻高，耐久性差。

論文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)。重點(diǎn)研究具有環(huán)境適應(yīng)性、刺激響應(yīng)性和可擴(kuò)展性到能源紡織品的多功能器件，希望對(duì)未來的研究方向有所啟發(fā)。最后，作者還討論了這些電池在實(shí)際可穿戴應(yīng)用中的技術(shù)挑戰(zhàn)，旨在為進(jìn)一步改進(jìn)提供可能的解決方案和新見解

內(nèi)容概要

本文首先介紹了纖維狀電池的設(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)討論了電極制備、電池組裝、電化學(xué)性能和柔性評(píng)價(jià)等方面的前沿研究，并簡(jiǎn)要介紹了各個(gè)步驟的關(guān)鍵成果。然后重點(diǎn)介紹了多功能性、可擴(kuò)展性以及與其他儲(chǔ)能/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成的前瞻性探索方向。最后，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)，為所需改進(jìn)提供可能的解決方案和一些見解。

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實(shí)現(xiàn)所需的柔性電極從根本上需要以下物理化學(xué)方面的協(xié)同：

i）導(dǎo)電基板和活性材料之間的強(qiáng)界面粘附力；

ii）活性材料在導(dǎo)電基板上的高質(zhì)量負(fù)載以實(shí)現(xiàn)電池的高能量密度。

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二是利用旋壓技術(shù)將活性材料（例如聚合物、CNT、氧化石墨烯（GO）和金屬氧化物膠體）并入纖維基板，以實(shí)現(xiàn)具有固有電化學(xué)特性的混合纖維電極。三是在纖維基板表面原位生長(zhǎng)/合成活性材料。

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，纖維電極制備方法的選擇取決于實(shí)際的應(yīng)用要求和相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)的平衡。圖1為各種電極和集流器的示意圖和SEM圖。

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圖4 水/防火纖維狀電池

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主要包括細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)引起的高內(nèi)阻、制造難度、隔膜放置的難度、封裝難度、厚度最小化難度、機(jī)織/針織的機(jī)械性能不合格、紗線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度、安全問題、多功能性和集成性、纖維電池作為電池等。

全文總結(jié)

近幾年來，纖維狀電池領(lǐng)域發(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(píng)價(jià)等方面綜述了與所取得的關(guān)鍵進(jìn)展相關(guān)的最新纖維狀電池系統(tǒng)。將繼續(xù)致力于追求更高的電化學(xué)性能、新材料、有效的制造策略和降低成本。從纖維狀電池到織物基電池的大規(guī)模生產(chǎn)過程，具有高通量、生物相容性和穿著舒適性，對(duì)可穿戴應(yīng)用具有重要意義。

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此外，通過對(duì)新型智能功能材料的優(yōu)化以及與基本纖維狀結(jié)構(gòu)的巧妙配合，可以實(shí)現(xiàn)多功能化，這對(duì)于拓寬這些一維器件的應(yīng)用范圍至關(guān)重要。有時(shí)，特定功能和電化學(xué)性能不能同時(shí)得到改善；在這種情況下，必須達(dá)到平衡。從光伏轉(zhuǎn)換裝置、納米發(fā)電機(jī)和衛(wèi)生保健傳感器等多學(xué)科研究領(lǐng)域集成纖維狀電池和其他系統(tǒng)，對(duì)消費(fèi)者具有更高的應(yīng)用價(jià)值，并可能在未來的研究領(lǐng)域帶來技術(shù)革命。

文獻(xiàn)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）