香港城市大学支春义教授AM综述：纤维状电池的研究进展及其多功能化、规模化和可穿戴应用的技术难点讨论
随着可穿戴电子产品市场的不断扩展，柔性和可穿戴式储能器件越来越受到人们的广泛关注。其中，纤维状电池由于其独特的一维结构而表现出优异的柔软性、可延展性、便携性和变形适应性的特点，非常适合与传统纺织工业相结合而应用于可穿戴电子供能领域。近年来，在纤维状电池领域的研究前沿中，除了实现更高的电化学性能外，多功能化、可扩展化和集成化系统的开发也是重要的研究课题。然而，纤维状电池的发展仍然存在着许多困难，其中包括封装困难，电池内阻高，耐性差等问题。本文首先简要阐述了纤维状电池的设计原理（如电极制备和电池组装）及其性能表征（如电化学和机械性能），并分类介绍纤维状锂基电池、钠离子电池，锌基电池和其他新型电池系统。此外，重点介绍了具有环境适应性、刺激响应性和可纺织等特殊功能的多功能化器件，以期对未来的研究方向有所启发。最后，还讨论了实现这些纤维状电池在现实可穿戴应用中所面临的技术难题，旨在为进一步发展提供有效的改进方案。
近日，香港城市大学支春义教授课题组总结了纤维状电池的研究进展，首先介绍了纤维状电池的设计原理，包括电极、电解质、器件构型和相应的制备方法。然后详细讨论不同纤维状电池系统的材料制备、电池组装、电化学性能和柔性评价等方面的前沿研究，并简要介绍了各个阶段的关键性成果。此外，作者还重点介绍了多功能性、可扩展性以及与其他储能/转换系统的集成化方面的具有前瞻性的研究成果。最后深入地讨论了纤维状电池在未来可穿戴应用中面临的主要技术难点，并为其改进和发展提出了可能的解决方案与策略。论文的第一作者为博士研究生莫富年和梁国进，通讯作者为支春义教授。
该综述文章对纤维状电池材料进行了详细的介绍和分类。常见的纤维状集流体为金属纱线、碳纳米管纤维、石墨烯纤维等。电解质也是纤维状电池的另一个重要组成部分，因为它们与电化学稳定电位窗口以及发生电化学反应时的离子传输相关。目前，常用的电解质一般分为两类：水系电解质和有机电解质。从形态上来看，电解质还可以分为三类：液体、凝胶和固态电解质，其中凝胶电解质因其良好的柔韧性和稳定性，特别适合应用于纤维状电池。纤维状器件一般分为平行、扭曲和同轴结构三种构型。
自开发以来，纤维状的非质子锂基电池由于其重量轻、输出电压高、长期稳定等优点，吸引了大量研究者的兴趣。
图 1. 纤维状锂离子电池示意图。
近年来，由于钠元素丰富的资源和易获得性，钠基电池作为一种潜在的锂离子电池替代能源受到了广泛的关注。钠离子电池具有与锂离子电池相似的插层/脱层机制，可以通过使用类似的策略和技术来制备。
图 2. 纤维状钠离子电池。
除了更高的电化学性能外，多功能化、集成化和可扩展性等方面的研究进展也是近年来纤维状电池研究领域的主要课题。在多功能化方面，纤维状电池器件能够结合其他特定功能，如在防水/防火能力方面的环境适应性，以及对外部刺激的响应性（如自愈合和形状记忆）。为了稳定、高效地实现功能化和良好的电化学性能，需要对功能性材料、电池结构和制造工艺进行了精确的设计。
图 3. 自愈合与形状记忆纤维状电池
最近，许多研究者致力于将纤维状电池与超级电容器或能量转换装置等系统相结合，实现集成化系统，使得一个综合器件能同时实现高能量和功率密度或通过收集转换环境能源的自供电功能。然而，构建这样一个一体化器件是非常复杂的，需要研究者深入了解不同领域的科学和技术相互交叉的工作机制，还需要对于器件组装、组件兼容性和能源管理的精心设计。
图 4. 纤维状器件的集成化系统。
考虑到其可扩展性，柔性和可穿戴的储能纺织品代表了纤维状电池发展的一个有前景的未来发展趋势，但这种发展必然需要更严格的标准和复杂的制造工艺。到目前为止，已经发展了两种制备储能纺织织物的常用方法：（i）将一些纤维状电池缝合在一块现有的织物上；（ii）用纤维状电池当作缝纫线制作比较松散的梭织/针织储能织物。
图 5. 可缝在现有织物上的纤维状电池。
梭织/针织几块纤维状电池，形成一块有点松散地能源纺织品，也是目前技术水平实现大规模应用的另一种可行策略。开发非常纤细的纱线电池使其呈现柔软的质地，让穿着的人获得舒适的同时还能提供优异的电池性能也是目前纤维状电池研发的重要目标之一。
图 6. 梭织/针织织物电池
在可穿戴方面，纤维状电池往往产生以下技术难点：1. 高内阻。纤维状电池的细长结构往往导致其具有非常高的内阻，2. 制备困难。在制造过程中，采用长而薄的电极就必须非常小心地避免短路发生。3. 隔膜设置困难。在两个细长电极之间设置隔膜要比在两个平面结构电极之间设置困难很多。4. 封装困难。目前的大多数报道的纤维状电池都没有深入探讨封装的问题。5.直径太大。电池是一种带有电解质、分离器和两个电极的电化学装置，因此目前的纤维形状的电池通常比普通的纱线厚得多。6.机械性能不足以进行机器纺织。纤维状电池的拉伸强度和表面摩擦力与传统纱线有很大的不同。7.难以实现的纱线质地。目前报道的大多数的纤维状电池都仅有塑料线的质地，而不是柔软的纱线质感。
综上所述，纤维形状电池领域在近几年来发展迅速，取得了巨大的成就，在实际的可穿戴应用中显示出巨大的前景。因此，本文综述从电极制备、新颖的结构设计、电化学性能和柔性评价等方面综述了至今为止纤维状电池系统所取得的关键性进展。研究者们将继续致力于追求更高的电化学性能，探索新材料、有效的制备策略和降低其生产成本。此外，从普通纤维状电池到实现具有高性能、生物相容性和穿着舒适性储能纺织品的大规模生产化，对可穿戴应用具有重大意义。另外，纤维状电池与其他系统（如光电转换系统、纳米发电机和医疗传感器等）的集成化，可以为消费者带来更高的应用价值，并可能在未来的研究领域带来技术性革命。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902151
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