华中大郭新教授团队《Mater. Today》综述：面向适形和结构化电源的可定制固态电池

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第一作者：魏璐 副教授

通讯作者：郭新 教授

通讯单位：华中科技大学

合作单位：美国Massachusetts Institute of Technology，德国Technical University of Munich

研究背景

随着智能电子产品和绿色交通系统的发展，对电池的形状、力学性能、安全性，甚至功能性（例如可结构化）提出了更高的要求。新颖的可定制化固态电池被视为可实现该愿景的关键技术。这种定制电源能够将双极堆叠电池单片集成到复杂形状的基板上，最大限度地利用设备的空间，同时减少非活性组件(例如金属集流体、隔膜或封装材料)的使用。因此，它们在提升电池体积能量密度，减轻目标电子设备总重量，延长其使用寿命方面具有巨大潜力，甚至可以作为结构电池来取代机器人、植入式医疗设备和电动汽车中的结构组件。因此，可定制固态结构电池对智能电子产品（包括手机、笔记本电脑、无人机等）和绿色交通系统（包括电动汽车、电动飞机和电动轮船）的发展具有深远意义。

文章简介

近日，华中科技大学材料科学与工程学院郭新教授（通讯作者）、魏璐副教授（一作）与美国MIT材料系J.L.M. Rupp副教授等在‍Materials Toda‍y期刊发表名为Customizable solid-state batteries toward shape-conformal and structural power supplies 的综述论文。文章介绍了可定制固态电池的最新进展，首先介绍了电池结构、制备技术（包括2D打印、3D打印和仿生技术），以及电极、固体电解质和集流体的相应材料选择；然后，分析了电池结构和电池形状因子之间的关系，讨论了电池的机械和电化学性能，并提出了优化策略；最后，就其潜在应用阐述了可定制固态电池的挑战和未来发展。利用可定制固态电池将为解锁先进可编程电化学储能设备铺平道路，并为未来可穿戴电子设备、生物集成电子器件和绿色交通系统的发展提供动力。

图1. 可定制电源及其主要应用领域

主要内容

1）可定制固态电池的设计及其电化学性能

随着固态电化学储能技术的复兴和进步，近年来，研究人员赋予固态电池各种形状因子和机械灵活性，以克服电子设备中与电源相关的设计和性能限制。图2总结了文献报道的典型的可定制固态电池类型、适形性及其电化学性能。

图2. 代表性可定制固态电池：电池形状、适形性与电化学性能 

2）可定制固态电池的制备技术

2.1 可打印固态电池

“可打印固态电池”作为一种新的电池系统出现，以实现设计多样性、灵活性、可集成性和高安全性。这种技术允许在各种基板（包括柔性和非平面基板）上制备受控厚度的兼容层/界面，从而实现可针对特定应用定制的电池结构设计。目前，“可打印固态电池”设计的关键问题主要包括：（i）具有易加工性、可重复、通用性和低成本的合适打印技术（如2D和3D打印）；（ii）用于打印电极、固体（或准固体）电解质、隔膜和集流体的电池组件的功能“油墨”；（iii）电池形状因子和结构，例如，适形电子产品和最大化空间利用的特殊形状电池。文章分别针对可打印“油墨”的设计原则、2D打印技术和相应的材料选择、3D打印技术和相应的材料选择进行了分析和讨论。

2.2结构化固态电池

提高电池的安全性和能量密度对电动汽车的发展具有重要意义。然而，高能量密度的电池容易发生热失控和机械损坏，一种潜在的强大解决方案是将固态电池用作结构电池，以提供储能和承重能力。这样，由于结构部件的质量减少，预计车辆总重量将减少，从而提高电动汽车的续航里程。结构电池的成功构建取决于电池复合材料的发展，即纤维增强复合材料（如图3）。近年来，“结构电池”概念已受到领先的电动汽车公司的关注。结构电池的主要挑战是开发先进的聚合物电解质，缺乏高离子导电性和刚性的聚合物电解质将阻碍结构电池的实现。然而，高离子电导率和良好的刚性通常相互矛盾。聚合物固体电解质有望在这两种性能之间实现平衡，这可以最大限度地减少电解质泄漏问题，并提供更好的保型性。用于构建结构电池的聚合物固体电解质需要提供0.1到1 GPa之间的压缩/剪切刚度，并确保离子电导率为∼1 mS/cm。到目前为止，已报道的用于结构电池的聚合物固体电解质基体主要包括： PVDF、聚乙二醇（PEG）、环氧树脂、聚乙二醇二缩水甘油醚（PEDGE）和双酚A二甲基丙烯酸酯等。

图3.（a）叠层结构固态锂离子电池和（b）3D纤维结构电池的结构示意图；（c）结构电池作为电动汽车车体结构示意图；（d） 2016年英国皇家航空学会（Royal Aeronautical Society）推出的获奖设计项目Hybris，设计了一种带有结构电池的轻型飞机。

结构电池不仅有可能取代绿色交通系统中的结构组件，而且有可能取代机器人中的结构组件。这种结构电池需要高度的身体适应性，称为生物形态结构电池。锌-空气电池由于其较高的理论能量密度（1353 Wh/kg）、增强的安全性和环境友好性，在生物形态结构电池领域具有格外的吸引力。Kotov等人利用芳纶纳米纤维（ANF）作为机械承重骨架，设计了一种用于结构锌-空气电池的固体复合电解质。用软离子（OH⁻）传输成分浸渍ANFs ，即季铵官能化聚乙烯醇（QUPA），以实现高机械稳定性（杨氏模量∼120 MPa、抗拉强度为20 MPa、抗拉韧性为∼3500 J/m³） 和良好的室温离子电导率（61.3 mS/cm）（图4）。

图4.（a）基于不同ANF分散浓度的QUPA/ANF电解质膜的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率。（b）比较了PVA、QUPA、QUPA/ANF和商用A201膜在室温下的离子电导率。（c） 基于不同膜的锌-空气电池在5 mA/cm²电流密度下的恒电流放电曲线.（d和e）由生物形态锌-空气电池构成的机器人照片。（f）锌空气电池结构示意图。集成到微型生物形态机器人中的锌-空气结构电池：（g）毛虫、（h）蝎子、（i）蜘蛛、（j）蚂蚁。

3）挑战和展望

目前，对可定制固态电池的研究还处于起步阶段。由于材料选择有限，大多数器件的电化学性能不如当前同类器件。为了提高可打印固态电池的能量密度，需要研究用于电极的改进功能油墨，其中包括高能量密度活性材料（例如合金和转换型材料）和具有适当离子/电子电导率的纳/微米材料。同时，应减少电极油墨中非活性成分（如聚合物粘合剂和导电添加剂）的质量比例。未来具有高度可定制性的电化学储能器件不仅体现在可定制的形状和灵活性上，还体现在可定制的功能上。已报道的定制功能包括自供电、自愈、形状记忆、承重、电致变色、光电检测和传感功能，这些功能将在人工智能和仿生技术应用中得到广泛探索。材料、组件结构、器件制造和系统集成的进步将允许制造商/用户根据实际需要设计/选择器件性能，如容量、灵活性、形状和功能，这些被认为是下一代智能电子产品的关键。

总的来说，固态电池在形状和灵活性方面的创新标志着可定制固态电池技术的诞生，我们现在正站在一个新的历史阶段，以创建下一代用户友好的可定制多功能固态电池。通过材料工程、结构演变、大规模生产技术的发展和多功能系统的集成，可定制固态电池将为未来的智能电子和绿色交通系统铺平道路。

论文信息

Lu Wei, Song-Tao Liu, Moran Balaish, Zhuo Li, Xiao-Yan Zhou, Jennifer L.M. Rupp and Xin Guo. Customizable solid-state batteries toward shape-conformal and structural power supplies. Materials Today 2022, 

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.06.007

作者简介

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郭新 教授 （通讯作者）华中科技大学二级教授、国家级专家、中国固态离子学会理事、国际期刊“Solid State Ionics”编委、国际固态离子学会（International Society for Solid State Ionics）学术奖评选委员会五名委员之一（其他成员有英国Prof. J. Kilner, 德国Prof. J. Maier, 日本Prof. T. Ishihara, 美国Prof. R. O’Hayre）。2002年至2012年，任德国于利希研究中心（Research Center Juelich, Germany）终身高级研究员；于利希研究中心是德国国家实验室，欧洲最大的科研机构之一。1998年至2002年，作为客座研究员在德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany）从事研究工作。2005年获美国陶瓷协会学术奖Ross Coffin Purdy Award，2008年入选德国Technische Universität Darmstadt正教授职位。在国内外主流学术会议（如MRS, E-MRS, ECS, MS&T, SSI等）及国内外著名高校和研究机构（如麻省理工学院、斯坦福大学、瑞士联邦工学院、德国马普研究所、清华大学、北京大学和中科院物理所等）作过80余场大会报告和邀请报告，在Science、Advanced Materials等学术期刊发表论文160余篇。魏璐 副教授（第一作者）华中科技大学材料科学与工程学院副教授，半导体材料与器件中心副主任，2019年入选材料成形与模具技术国家重点实验室“青年优才计划”。魏璐博士为西北工业大学和美国佐治亚理工学院联合培养博士研究生，2015年“陕西省优秀博士学位论文”获得者。魏璐副教授主要从事电化学能量存储材料与器件的研究工作，包括超级电容器、固态锂电池、水系电池、柔性电化学储能器件等。发表SCI论文40余篇，其中ESI高被引论文6篇。在以下英文著作中：《The World Scientific Handbook of Energy》、《Energy Storage》、《Production of Materials from Sustainable Biomass Resources》（获得Springer Nature“中国新发展奖”）编写与储能相关的著作篇章3篇。主持参与多项国家级和省部级科研项目，包括：国家自然科学基金面上项目两项（22179044、51672096）、国家自然科学基金青年项目一项（51502105）、湖北省自然科学基金面上项目一项（2019CFB110）、国家自然科学基金国际合作项目一项（51561145006）等。华中科技大学材料科学与工程学院 “固态离子学实验室”以固体材料中的离子传导为科学基础，在此基础上，在能源领域研究“固体电解质及固态电池”，在信息领域研究“类脑芯片及智能感知系统”，在环境领域研究“气体传感器及仿生智能嗅觉”，实验室网站：http://hust-ssi.cn/；欢迎有材料、化学、信息等背景的硕士生、博士生和博士后加入本团队，待遇优厚，有意者请将个人简历发至邮箱：[e-mail]。

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