科学通报|纤维电池的进展、挑战与机遇
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科学
2024-12-18 16:30
北京
柔性可穿戴电子器件因其在个性医疗、健康监测、人机交互等领域表现出的巨大应用潜力而迅猛发展。能源供给作为其核心组成，对于柔性电子器件的功能实现至关重要。在众多能源获取方式中，柔性可穿戴电池凭借其高能量密度和稳定的能量输出成为主要的供能方式。由于可穿戴电池与人体接触密切，其柔性和安全性尤为重要。纤维具备良好的柔韧性、透气性和可延展性，满足可穿戴电池的发展需求。此外，纤维形态赋予可穿戴电池更广泛的应用空间，包括创新的织物形态和微型化植入等。因此，纤维电池被认为是下一代柔性电池的理想形式之一。然而，由于纤维具有较大长径比的特点，其制备与性能表现面临诸多挑战，尤其在动态弯曲的应用场景下，纤维电池的稳定性面临更大挑战。为深入探讨纤维结构与形态对纤维电池性能的影响以及其所带来的机遇与挑战，清华大学张莹莹课题组在《科学通报》上发表题为“纤维电池的进展、挑战与机遇”的评述文章，旨在从纤维的本征特性出发，分析纤维结构为电池带来的机遇与挑战，由此阐述纤维电池的优缺点及其独特价值，为设计下一代纤维电池提供思路。纤维电池的电化学性能是其核心性能指标。高长径比的纤维结构虽然增加了表面积，但纤维电池的电极表面通常具有高曲率，导致离子传输不均匀，降低了充放电效率。为提升电池性能，需要改进电极材料的制备工艺、优化电解质配方，以及设计新型纤维电极结构。图1 纤维电池中的电荷传输。（a）平面电池（左）与纤维电池（右）的电极界面形态比较。（b）纤维电池中的电场分布情况。（c）基于导电纤维的纤维电极示意图。（d）自支撑的纤维电极示意图。（e）凝胶电解质中离子传输示意图。（f）凝胶电解质与电极的界面润湿问题示意图。
纤维电池的力学性能要求其在静态和动态条件下均展现出优异的性能。静态力学性能应与人体各级组织模量相匹配。在动态变形条件下，如弯曲、拉伸等，电池可能出现微裂纹、破裂损伤和界面分离等问题，需进一步增强电池的稳定性和耐久性。
图2 纤维电池的力学性能要求。（a）人体不同组织的模量范围。（b）纤维电极在弯曲变形应力分布情况。（c）弯曲变形造成的电极界面分离和压迫问题。（d）弯曲变形造成的活性材料剥落问题。（e）纤维电极在拉伸变形下的应力分布情况。（f）拉伸变形造成的电极断裂问题。（f）拉伸变形造成的分离问题。纤维电池独特的形态为其开辟了崭新的应用空间。未来的研究重点包括充分利用纤维电池的高长径比特性，设计适应性强的新型纤维电池；深入研究纤维电池独特反应机理和电子传输、离子传输等深层次机理；优化制备工艺，提高电池性能，并发展绿色、可持续的新型纤维电池。未来纤维电池将以更灵活的形态和更理想的性能成为可穿戴和可植入电子器件可靠的能量来源。齐乐, 张莹莹*. 纤维电池：现状、机遇与挑战. 科学通报, 2025,
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0511
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