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Long Kong, Cheng Tang, Hong-Jie Peng, Jia-Qi Huang, Qiang Zhang. Advanced energy materials for flexible batteries in energy storage: A review. SmartMat 10.1002/smm2.1007.
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文章简介
高比能电池在便携式电子设备和电动汽车领域发挥着重要作用。二次电池正在快速进入到柔性电子市场。柔性电池是实现多功能柔性电子器件的关键，因此除高比要求能外，柔性电池也应具备柔性特征，例如可弯曲，可扭曲，可拉伸和超薄等，以适应工作条件下柔性器件的机械变形。
近日，清华大学化工系张强教授课题组受邀在SmatMat上发表了题为“Advanced energy materials for flexible batteries in energystorage: A review”的综述文章。该综述总结了柔性电池的结构和电池模型方面的最新进展，并讨论了评测不同柔性电池的通用指标，在此基础上，该综述介绍了一些公司开发的商业化柔性电池的原型。最后，该综述总结了柔性电池研发中的关键点，并从实用化角度提出了未来柔性电池设计的挑战。
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图文导读
图1. 综述总览图。
图2. 柔性电池用于能源存储技术中的重要突破。
图3. 用于描述柔性电池的三个重要几何参数。
图4. 不同材料的柔性品质因子。
图5. 柔性集流体的结构修饰和表面改性。（A）多孔铝集流体；（B）多孔铝与碳纳米管集流体用于硫正极；（C）碳修饰铝箔改善集流体与电极的接触性。
图6. 一维碳纳米管和碳纤维用于柔性集流体。（A）采用模板法制备柔性硫正极；（B）硫碳复合柔性电极及其（C）拉伸引力测试；（D）利用溅射法制备氧化物/碳纳米管柔性电极的示意图以及（E）投射电镜图；（F）基于碳纤维的Ni/Fe电池构建示意图以及（G）充放电曲线。
图7. 聚合物纤维素碳化用于制备柔性集流体。（A）碳化多孔纤维素用于制备硫正极的示意图；（B）碳纳米管负载氧化物/硫化物纳米结构示意图；（C）3D硅碳碳纸电极示意图以及（D）所制备的柔性电极宏观照片。
图8. 用于柔性电池的固态聚合物电解质。（A）锂离子在PEO聚合物电解质中的离子输运机理示意图；（B）同时用于电解质和隔膜的双功能固态聚合物电池示意图；（C）3D打印用于制备电极薄膜的示意图；（D）固态聚合物电解质膜的组成和（E）热收缩性。
图9. 复合电解质和凝胶电解质用于柔性电池。（A）聚合物链固定阴离子，并与LLZO复合的结构示意图和（B）宏观/微观照片；（C）制备PVDF-HFP凝胶电解质的示意图；（D）PVDF-HFP凝胶电解质膜调控锂离子沉积示意图；（E）制备PPN膜过程示意图；（F）PAN和EC对SEI膜影响的机制示意图。
图10. 平板型柔性电池。（A）平板型柔性电池的结构示意图；（B）3D碳纳米管用于制备平板型硫电极的功能示意图以及（C）循环性能；（D）带状水系钠离子电池模型图；（E）2D薄膜电池的循环性能。
图11. 柔性电池特殊构型。（A）由生物质骨骼启发的柔性电池设计概念图；（B）类骨骼电池设计示意图；（C）传统多层电池结构示意图；（D）origami电池柔性折叠示意图。
图12. 纤维状一维柔性电池。（A）共轴型；（B）扭转型。
图13. 扭转型柔性电池及其制备的纺织物。（A）MWCNT/Si 复合物纤维用于电池电极示意图；（B）三种复合纤维电极集成在同一电池的示意图以及（C）该工作能量密度和功率密度与前期工作对比图；（D）3D打印制备全纤维电池示意图及其（E）制备纺织物示意图。
图14. 商业化柔性电池原型。（A）Jenax带状电池以及（B）在头挂式耳机上的应用；（C）索尼公司开发的柔性电池与无线充电技术联用；（D）三星公司开发的高度柔性带状电池；（E）LG化学发布的线状电池；（F）辉能公司开发的高安全固态柔性电池以及（G）安全测试图。
总结：
物联网和可穿戴电子设备的兴起，为柔性电池的发展提供了机遇。柔性电池仍处于起步阶段，目前还缺少相关评测标准对文献报道的柔性电池的机械、电化学等性能进行定量对比，也需要从电极材料选择、电池结构设计等方面进行研究，以期获得各方面较为均衡、更加实用化的柔性电池。
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作者简介
张强，清华大学长聘教授。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖、国际电化学会议Tian Zhaowu奖。2017-2020年连续四年被评为“全球高被引科学家”。长期从事能源化学与能源材料的研究。近年来，致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂复合结构概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。这在储能相关领域得到应用，取得了显著的成效。授权发明专利40余项。担任国际期刊J Energy Chem, Energy Storage Mater副主编，Matter, Adv Funct Mater, J Mater Chem A, ChemSusChem, ChemCommun,Sci China Mater, 化工学报等期刊编委。曾获得教育部自然科学一等奖等学术奖励。
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