可穿戴電子設備日益融入我們的日常生活，從2014年到2019年，可穿戴電子設備每年都會增長25%。而這些可穿戴電子設備對人體的監(jiān)測功能種類在持續(xù)更新?，F(xiàn)如今，血氧檢測傳感器、體溫檢測傳感器等有已經(jīng)商業(yè)化，在實驗室中也有許多傳感器正在開發(fā)以期實現(xiàn)更為復雜的功能如神經(jīng)調(diào)節(jié)、電子皮膚等等。在近幾年中，柔性可拉伸晶體管、傳感器、顯示器和導體的發(fā)展，使得可穿戴設備發(fā)展出了更多的應用場景和功能。而這些柔性電子設備發(fā)展的一大阻礙就是電池。現(xiàn)商業(yè)化的電池是非柔性的，這導致電池無法和這些可拉伸設備集成。
近十年內(nèi)，有很多科研工作者投入到了柔性電池的研發(fā)工作中。許多可以用于柔性電池的反應體系如鋰-空氣電池、Zn/Ag、Zn/MnO2等等體系已經(jīng)被報導。但是，這些柔性電池的性能還沒有達到現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化電池的性能。柔性可拉伸電池仍然還有很長的路要走。
在材料層面上實現(xiàn)電池柔性可拉伸的策略
在材料設計上實現(xiàn)柔性的電池材料主要有四個策略，分別是彎曲結構策略、2D/3D微結構設計策略、剛性島狀結構策略和本征可拉伸材料策略。用這四個策略可以實現(xiàn)電池結構中包括集流體、電極材料、電解質(zhì)和隔膜材料的柔性化。
在實現(xiàn)集流體柔性化的策略中，最常用的是彎曲結構策略、2D/3D微結構設計策略和本征可拉伸材料策略三種。彎曲材料策咯主要是在已經(jīng)被拉伸的彈性材料基體上蒸鍍上一層金屬材料，后松開被拉伸彈性材料基底得到柔性的集流體。2D/3D微結構設計策略則主要是在多孔海綿狀的彈性基體材料上涂布可導電的石墨烯、碳納米管或則金屬納米顆粒實現(xiàn)集流體柔性化。而本征可拉伸材料策略主要是將彈性材料基體與碳納米管、納米金屬顆粒共混實現(xiàn)柔性材料的導電功能。
對于柔性的電極材料，上述提到的四種策略都十分常用。與實現(xiàn)柔性集流體不同的是，在負載導電材料的同時還需要負載電化學活性材料。最值得一提的是2D/3D微結構設計策略因為基底材料的高比表面積，可以實現(xiàn)電化學活性材料的高負載率。幾乎所有的電化學活性材料都是剛性的，有些電化學活性材料無法使用彎曲結構策略、2D/3D微結構設計策略和本征可拉伸材料策略來實現(xiàn)電極材料的柔性化。而在這時剛性島狀結構策略在實現(xiàn)柔性電極上就是十分可靠的策略，如在實現(xiàn)柔性鋰-空氣電池上，鋰金屬作為電池負極就使用這一策略。
制備隔膜材料和電解質(zhì)主要通過2D/3D微結構設計策略和本征可拉伸材料策略實現(xiàn)。通常，可拉伸隔膜是由包含多孔結構的彈性材料制成，并在其中填充入電解質(zhì)液，以保證兩電極之間不會短路。而出于電池安全性考慮，關于凝膠電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的研究變得越來越多，而電解質(zhì)的超分子的特性可以使得固體電解質(zhì)與電極接觸良好。
在電池結構層面實現(xiàn)電池柔性可拉伸的策略
通過上述策略實現(xiàn)制備柔性可拉伸的電池組裝材料后，需要將不同策略形成的材料組合組裝成柔性電池。在電池結構層面設計柔性電池的策略主要有四種，分別是波浪結構電池、可折疊電池、纖維狀電池和本征可拉伸電池。
波浪結構電池與合成柔性材料時的彎曲結構策略有一些類似。將電池的整體做成波浪狀，在拉伸時，波浪逐漸展開，實現(xiàn)電池整體的柔性可拉伸。這種電池策略有個最明顯的缺陷就是在反復拉伸的過程中電池性能明顯下降。
可折疊電池與波浪結構電池不同，它可以實現(xiàn)在平面結構上的折疊，其中最有名的就是折紙電池。可折疊電池通常是將電極材料涂布于紙上，然后封裝得到。而可折疊電池最大的一個缺陷就是涉及平面外的形變，使得電池與其他電路元件的封裝變得更加困難。
纖維狀電池已經(jīng)得到了十分廣泛的研究。在這項技術中，通過對纖維拉伸和紡絲的過程進行研究，可以實現(xiàn)利用剛性材料實現(xiàn)電池的柔性和可拉伸性。纖維狀電池最常用的做法時在碳納米管的紗線上負載不同電化學活性物質(zhì)，再將這些紗線纏繞再可拉伸的軸線上，最后裹上電解質(zhì)即可。這種方法可以應用于多種電池體系如Zn/AgO電池體系、Al/空氣電池體系等等。但是纖維狀電池的缺陷也十分明顯，就是由低活性物質(zhì)負載率導致的能量密度十分低。
最后一類電池是本征可拉伸電池，這類電池所有的材料都要由可拉伸的彈性材料組成。這類電池采取了傳統(tǒng)電池的堆疊結構，而且具有實現(xiàn)高能量密度的潛力，因此十分有前景。但是這類電池還沒有量產(chǎn)的先例。
柔性可拉伸電池面臨的困難和挑戰(zhàn)
盡管在實驗室中已經(jīng)開發(fā)出了各種各樣的柔性可拉伸電池，但是要想實現(xiàn)柔性可拉伸電池的產(chǎn)業(yè)化，還有許多技術難題亟待解決。需要解決的技術難題主要在以下幾點
1.?能量密度：在實驗室中實現(xiàn)的柔性可拉伸電池的面積容量和電壓都比商業(yè)化的電池更低。而且科研工作者在文章中報導的柔性可拉伸電池的質(zhì)量容量和體積容量都是基于裝載在電池上的活性物質(zhì)的質(zhì)量或者體積，而不是電池整體。
2.?電池包裝材料：傳統(tǒng)商業(yè)電池的包裝材料通常是鋁或者其他金屬材料，但是為了實現(xiàn)電池的可拉伸性，柔性的電池包裝材料通常位具有一定彈性的聚合物。這些聚合都有比較大的自由體積，使得這類包裝材料的水氧阻隔性能都不是很好。這對電池的耐候性有重大影響。
3.?電池結構分層：在柔性可拉伸電池反復拉伸的過程中，不可避免地會發(fā)生堆疊結構的分層問題。這類問題只能通過加強柔性電池材料層與層之間的結合能力解決如通過氫鍵等分子間作用力。
4.?設備集成：柔性電池最終還是要和其他柔性電子元件集成成柔性電子設備。在大多數(shù)文獻中，與柔性電池集成的多是LED燈，而在實際應用中需要與各種復雜的電子元件傳感器集成。這對柔性電池儲能密度提出了嚴苛的要求。
5.?量產(chǎn)：從2010年至2018年，市場對鋰電池的需求翻了五倍。因此，柔性可拉伸電池需要兼?zhèn)涓邇δ苊芏群鸵子谏a(chǎn)。這對一些需要復雜生產(chǎn)工藝的策略如纖維狀電池和2D/3D微結構設計策略十分不利。最有可能實現(xiàn)量產(chǎn)的柔性可拉伸電池可能還是有傳統(tǒng)堆疊結構的本征可拉伸電池。
總結
這篇文章對實現(xiàn)柔性可拉伸電池的策略及挑戰(zhàn)進行了全面地綜述，為進行可拉伸電池地設計研究提供了重要參考。這篇文章題為“Enabling?Deformable and Stretchable Batteries”發(fā)表在《Advance Energy Material》上，通訊作者為鮑哲南教授。
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