中年|斯坦福大学鲍哲南团队《AEM》综述：柔性可拉伸电池
【中年|斯坦福大学鲍哲南团队《AEM》综述：柔性可拉伸电池】
可穿戴电子设备日益融入我们的日常生活 ， 从2014年到2019年 ， 可穿戴电子设备每年都会增长25% 。 而这些可穿戴电子设备对人体的监测功能种类在持续更新 。 现如今 ， 血氧检测传感器、体温检测传感器等有已经商业化 ， 在实验室中也有许多传感器正在开发以期实现更为复杂的功能如神经调节、电子皮肤等等 。 在近几年中 ， 柔性可拉伸晶体管、传感器、显示器和导体的发展 ， 使得可穿戴设备发展出了更多的应用场景和功能 。 而这些柔性电子设备发展的一大阻碍就是电池 。 现商业化的电池是非柔性的 ， 这导致电池无法和这些可拉伸设备集成 。
近十年内 ， 有很多科研工作者投入到了柔性电池的研发工作中 。 许多可以用于柔性电池的反应体系如锂-空气电池、Zn/Ag、Zn/MnO2等等体系已经被报导 。 但是 ， 这些柔性电池的性能还没有达到现在已经商业化电池的性能 。 柔性可拉伸电池仍然还有很长的路要走 。
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在材料层面上实现电池柔性可拉伸的策略
在材料设计上实现柔性的电池材料主要有四个策略 ， 分别是弯曲结构策略、2D/3D微结构设计策略、刚性岛状结构策略和本征可拉伸材料策略 。 用这四个策略可以实现电池结构中包括集流体、电极材料、电解质和隔膜材料的柔性化 。
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图一 单个可伸缩电池组件的示意图 。 A）可拉伸电池的横截面 ， 阴极（橙色） ， 电解质（蓝色） ， 阳极（灰色） ， 集流体（棕色）和密封剂（浅蓝色） 。 组件级图显示了B）弯曲结构 ， C）2D / 3D微结构 ， D）刚性岛状结构 ， E）本征拉伸性 。
在实现集流体柔性化的策略中 ， 最常用的是弯曲结构策略、2D/3D微结构设计策略和本征可拉伸材料策略三种 。 弯曲材料策咯主要是在已经被拉伸的弹性材料基体上蒸镀上一层金属材料 ， 后松开被拉伸弹性材料基底得到柔性的集流体 。 2D/3D微结构设计策略则主要是在多孔海绵状的弹性基体材料上涂布可导电的石墨烯、碳纳米管或则金属纳米颗粒实现集流体柔性化 。 而本征可拉伸材料策略主要是将弹性材料基体与碳纳米管、纳米金属颗粒共混实现柔性材料的导电功能 。
对于柔性的电极材料 ， 上述提到的四种策略都十分常用 。 与实现柔性集流体不同的是 ， 在负载导电材料的同时还需要负载电化学活性材料 。 最值得一提的是2D/3D微结构设计策略因为基底材料的高比表面积 ， 可以实现电化学活性材料的高负载率 。 几乎所有的电化学活性材料都是刚性的 ， 有些电化学活性材料无法使用弯曲结构策略、2D/3D微结构设计策略和本征可拉伸材料策略来实现电极材料的柔性化 。 而在这时刚性岛状结构策略在实现柔性电极上就是十分可靠的策略 ， 如在实现柔性锂-空气电池上 ， 锂金属作为电池负极就使用这一策略 。
制备隔膜材料和电解质主要通过2D/3D微结构设计策略和本征可拉伸材料策略实现 。 通常 ， 可拉伸隔膜是由包含多孔结构的弹性材料制成 ， 并在其中填充入电解质液 ， 以保证两电极之间不会短路 。 而出于电池安全性考虑 ， 关于凝胶电解质和固体电解质的研究变得越来越多 ， 而电解质的超分子的特性可以使得固体电解质与电极接触良好 。
在电池结构层面实现电池柔性可拉伸的策略
通过上述策略实现制备柔性可拉伸的电池组装材料后 ， 需要将不同策略形成的材料组合组装成柔性电池 。 在电池结构层面设计柔性电池的策略主要有四种 ， 分别是波浪结构电池、可折叠电池、纤维状电池和本征可拉伸电池 。
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