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中年|斯坦福大学鲍哲南团队《AEM》综述：柔性可拉伸电池( 二 )


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图二 可伸缩电池的设备级策略示意图 。阳极为灰色 ， 电解质为蓝色 ， 阴极为橙色 。 A）波浪结构 。 B）折叠结构 。 C）纤维状结构 。 D）本征可拉伸结构 。
波浪结构电池与合成柔性材料时的弯曲结构策略有一些类似 。 将电池的整体做成波浪状 ， 在拉伸时 ， 波浪逐渐展开 ， 实现电池整体的柔性可拉伸 。 这种电池策略有个最明显的缺陷就是在反复拉伸的过程中电池性能明显下降 。
可折叠电池与波浪结构电池不同 ， 它可以实现在平面结构上的折叠 ， 其中最有名的就是折纸电池 。 可折叠电池通常是将电极材料涂布于纸上 ， 然后封装得到 。 而可折叠电池最大的一个缺陷就是涉及平面外的形变 ， 使得电池与其他电路元件的封装变得更加困难 。

纤维状电池已经得到了十分广泛的研究 。 在这项技术中 ， 通过对纤维拉伸和纺丝的过程进行研究 ， 可以实现利用刚性材料实现电池的柔性和可拉伸性 。 纤维状电池最常用的做法时在碳纳米管的纱线上负载不同电化学活性物质 ， 再将这些纱线缠绕再可拉伸的轴线上 ， 最后裹上电解质即可 。 这种方法可以应用于多种电池体系如Zn/AgO电池体系、Al/空气电池体系等等 。 但是纤维状电池的缺陷也十分明显 ， 就是由低活性物质负载率导致的能量密度十分低 。
最后一类电池是本征可拉伸电池 ， 这类电池所有的材料都要由可拉伸的弹性材料组成 。 这类电池采取了传统电池的堆叠结构 ， 而且具有实现高能量密度的潜力 ， 因此十分有前景 。 但是这类电池还没有量产的先例 。
柔性可拉伸电池面临的困难和挑战
尽管在实验室中已经开发出了各种各样的柔性可拉伸电池 ， 但是要想实现柔性可拉伸电池的产业化 ， 还有许多技术难题亟待解决 。 需要解决的技术难题主要在以下几点
中年|斯坦福大学鲍哲南团队《AEM》综述：柔性可拉伸电池
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图三 柔性可拉伸电池面临的困难和挑战 。

1. 能量密度：在实验室中实现的柔性可拉伸电池的面积容量和电压都比商业化的电池更低 。 而且科研工作者在文章中报导的柔性可拉伸电池的质量容量和体积容量都是基于装载在电池上的活性物质的质量或者体积 ， 而不是电池整体 。
2. 电池包装材料：传统商业电池的包装材料通常是铝或者其他金属材料 ， 但是为了实现电池的可拉伸性 ， 柔性的电池包装材料通常位具有一定弹性的聚合物 。 这些聚合都有比较大的自由体积 ， 使得这类包装材料的水氧阻隔性能都不是很好 。 这对电池的耐候性有重大影响 。
3. 电池结构分层：在柔性可拉伸电池反复拉伸的过程中 ， 不可避免地会发生堆叠结构的分层问题 。 这类问题只能通过加强柔性电池材料层与层之间的结合能力解决如通过氢键等分子间作用力 。
4. 设备集成：柔性电池最终还是要和其他柔性电子元件集成成柔性电子设备 。 在大多数文献中 ， 与柔性电池集成的多是LED灯 ， 而在实际应用中需要与各种复杂的电子元件传感器集成 。 这对柔性电池储能密度提出了严苛的要求 。

5. 量产：从2010年至2018年 ， 市场对锂电池的需求翻了五倍 。 因此 ， 柔性可拉伸电池需要兼备高储能密度和易于生产 。 这对一些需要复杂生产工艺的策略如纤维状电池和2D/3D微结构设计策略十分不利 。 最有可能实现量产的柔性可拉伸电池可能还是有传统堆叠结构的本征可拉伸电池 。
总结
这篇文章对实现柔性可拉伸电池的策略及挑战进行了全面地综述 ， 为进行可拉伸电池地设计研究提供了重要参考 。 这篇文章题为“Enabling Deformable and Stretchable Batteries”发表在《Advance Energy Material》上 ， 通讯作者为鲍哲南教授 。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001424


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