近年來，智能可穿戴設備由于其特有的便攜性、實用性逐漸引起人們的關注，可拉伸晶體管、可拉伸傳感器、人工器官、電子皮膚等柔性設備均得以迅速發展。

這些電子器件大多采用超級電容器或電池對其進行供能，與人體緊密貼合的電子設備往往需具備一定的柔性和形變能力，然而傳統的儲能設備受其材料及制備工藝的限制大多表現出較強的剛性，難以滿足新一代柔性穿戴設備的需求。

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因此許多研究致力于開發新型柔性可拉伸儲能設備，以實現在拉伸過程中持續穩定的供能。電池雖然功率密度低于超級電容器，但其更高的能量密度以及更長的使用壽命使其在柔性電子領域具備一定優勢。

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傳統商用電池的集流體、電極、隔膜/電解質和封裝材料等部件并不具備承受應變的能力，很難用于可穿戴設備。為滿足可穿戴設備對儲能設備提出的新要求，急需開發具備拉伸性及良好電化學性能的可拉伸電池。

目前柔性可拉伸電池主要有3個亟待解決的問題：

（1）可拉伸電極、電解質的制備及電池結構設計；

（2）電池處于應變下的電化學性能及拉伸循環過程中的穩定性；

（3）兼具拉伸性及密封性的封裝材料。本文從電池的各個組成部件出發，將可拉伸電池分為設備可拉（一維結構、二維結構、三維結構）和部件可拉兩個層面（圖1），列舉了實現電池拉伸性的不同方法及其典型實例，評價了不同策略的優缺點，并對柔性可拉伸電池當前發展所面臨的問題及今后的發展方向進行了概述。

1可拉伸電池的設計

柔性可拉伸電池能否在合理的應變范圍內保持良好的電化學穩定性是評價其性能的首要標準。對于電子皮膚這類與人體緊密貼合的設備而言，其所能承受的應變應不低于30%，同時設備整體模量不能過高（<1MPa）；

而對于如人造器官等植入人體的電子設備，其最大應變應高于100%同時具備更低的模量。電池整體的力學性能如彈性模量、屈服強度等在很大程度上影響著電池的容量。

因此要實現從傳統的剛性電池到柔性可拉伸電池的轉變，需要電池內部各部件在保持原有的電化學性能的同時具備一定的強度及應變能力，這就意味著要對以下材料進行開發研究：

（1）兼具高電化學穩定性及高導電性的可拉伸集流體；

（2）室溫下具備高離子電導率的可拉伸電解質；

（3）應變狀態下具備良好隔水隔氧性的封裝材料。

可拉伸電池要考慮的另一重要參數就是其能量密度和功率密度，這與電極的活性物質負載量和電解質的離子電導率緊密相關。

大部分電極制備是將活性物質漿料涂覆于集流體之上，對可拉伸電池而言剛性的電極層與柔性的可拉伸集流體之間的模量差異必然會導致需要在電極厚度上進行取舍，在能量密度和拉伸性上尋求平衡。

此外，目前使用的液態電解質在拉伸過程所產生的腐蝕及泄露等一系列問題降低了設備的安全性，因此并不適合應用于智能穿戴設備。陶瓷基電解質雖具備較高的離子傳導能力，但剛性較強難以適應形變。

聚合物電解質可以通過向鏈間引入各類分子間相互作用改善其力學性能，但室溫下較低的離子電導率及電極/電解質之間的高界面阻抗會限制電荷轉移從而影響電池的循環穩定性及倍率性能。

理想情況下，可拉伸電池的電解質應為固態，可以含有少量增塑劑，使其在保證力學強度及拉伸性的同時有足夠的離子電導率。

目前柔性可拉伸電池的設計策略主要有以下兩類：

（1）在設備層面對電池進行整體結構設計使其具備獨特的系統結構從而具備形變能力；

（2）在部件層面使用新型可拉伸材料及組裝工藝，使電池內各部件均具備拉伸性。

1.1設備結構設計

制備可拉伸電池的一個主要策略是改變電池的整體結構使其可以通過在宏觀上的形狀變化來適應形變從而避免電池內部的剛性部件直接承受應力，這種策略使傳統電池材料在滿足特定結構的條件下也可以具備拉伸性。

可拉伸電池的整體結構可分為一維柱狀結構，二維平面結構和三維立體結構，本節將分別展示各種結構的實例并對其優缺點進行討論。

1.1.1一維結構

一維結構是指由纖維電極和凝膠電解質組成的柱狀電池，電池內部電極平行排列，凝膠電解質防止正負極接觸并提供離子通路，這種結構最顯著優勢為尺寸小及具備可編織性。

纖維電極作為構建一維可拉伸電池的關鍵部件，它需要在保證高導電性和良好的力學性能的同時兼具柔性，而金屬材料大多數是剛性的，柔性輕質的聚合物纖維往往導電性不足，相比之下，碳基纖維由于其低密度、高強度和高導電性的特點而被選用作為纖維電極基體材料。

當前，石墨烯、碳納米管（CNT）等碳基材料已廣泛應用于儲能設備中，CNT因其較大的縱橫比致使構建的導電網絡在大應變下仍能保持良好的導電率，從而吸引了大量相關研究。

纖維電池因其特有的編織性，已被證實可以應用于如LED腕帶、智能衣物、充電頭帶等多種柔性設備，但較小的纖維直徑必然會導致活性物質負載量較低從而很難實現整體的高能量密度。

同時，纖維電極的電導率仍顯不足，長度增大后電阻阻值的增大會顯著影響電性能。因此，在纖維電池后續研究中，仍需研發除碳基材料以外的纖維電極，以實現大長度的高性能纖維電池的制備。

1.1.2二維結構

電池各組件通過堆疊層壓而形成的二維結構可拉伸電池，相較于一維柱狀結構，其可以通過增加活性物質負載量和增大電極尺寸來提高電池的輸出能力，制備工藝也相對簡單。二維結構的可拉伸電池分為波浪結構和圖案化設計兩類。

1.1.3三維結構

相異于二維堆疊結構，電池可以通過進行平面折疊來適應形變。在這種情況下，電池的各部件必須是柔性的，保證每個部分能夠折疊和展開。一個經典實例是由Jiang等[47]展示的折紙電池。

在這項工作中，通過將常規電極漿料涂覆于柔性CNT涂層集流體上來制造折紙電池（圖5(a)）。封裝后，通過周期性的折疊實現電池的拉伸性。該裝置能沿預定方向達到1300%的應變。

總體來說，三維立體結構相較于平面結構，可以承受的最大應變顯著提高，但應變能力及形變方向受折疊工藝的限制，形變時宏觀高度上的變化使其并不適用于如電子皮膚這類需要和人體緊密接觸的電子設備。

通過折疊、剪裁制備的可拉伸電池在循環拉伸過程中折痕處和接頭處在折疊-展開過程中勢必會承受較大的集中應力，從而對電池的穩定性產生影響。復雜的加工制備工藝成本較高，也使其很難大規模制備。

1.2電池部件設計

設備層面上的可拉伸電池雖然可以使用傳統電極材料，但特殊的結構必然需要復雜的加工制備工藝與之匹配，電池整體的能量密度難以提高，形變過程中尺寸的變化及方向的確定性也限制了其應用場景。

理想情況下，可拉伸電池應該是電池內各部件本身都具備拉伸性，以保證電池形變發生在平面內，同時使用類似于層壓工藝的組裝方法，確保電池內部具有良好的界面，以實現大體積高能量密度的可拉伸電池制備。

1.2.1集流體

對傳統鋰離子電池而言，電極是將正/負極漿料涂覆于鋁箔/銅箔之上，但金屬集流體因其固有特性很難承受形變（<2%）并不能滿足可拉伸儲能設備的需求，開發具備拉伸性的集流體就顯得尤為關鍵。

可拉伸集流體在滿足質輕、高導電性、高電化學穩定性的同時還需要保證在拉伸過程及拉伸循環過程中導電性保持穩定。目前設計可拉伸集流體常用的有兩種方法：

（1）將導電填料分散于彈性基底中，通過碳材料或金屬納米材料構建導電網絡；

（2）將導電材料沉積在彈性體表面，通過對沉積形狀的設計或表面微裂紋的控制，保證材料在形變時仍保持導電性。

1.2.2電極

電極是電池內部發生電極反應存儲能量的部分，通常由活性物質、導電劑組成并通過聚合物黏合在一起。除前述使用可拉集流體構建可拉伸電極外，還可以通過制備微觀多孔結構骨架或復合凝膠電極來實現電極的拉伸性。

1.2.3電解質

目前的商用電池大多采用液態電解質，同時使用隔膜將正負極分隔，嚴密的封裝和設備本身的剛性避免了因液態電解質泄露而導致的安全問題。

但對可拉伸電池而言，雖然使用具備多孔結構的彈性體（如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、PDMS等）替代隔膜是一種可行的方法，但體系內電解液的存在會導致拉伸過程中電解液的泄露及電池短路等一系列問題，考慮到可拉伸儲能設備的應用場景，可拉伸隔膜與電解液的使用可能并不是最優的選擇。

聚合物電解質因其良好的安全性和較高的離子電導率近年來得以迅速發展，通過向聚合物內引入如氫鍵、離子作用、共價鍵等分子間相互作用可以顯著改善電解質的拉伸性能.

2現存問題及發展方向

目前已有大量工作對可拉伸電池進行了研究，無論是從設備整體出發還是從電池的組成部件出發，不同策略都存在一些共性問題。

首先，目前得以制備的可拉伸電池的能量密度還達不到傳統電池的水平，這與較低的活性物質負載量和所選用活性物質電壓較低有關。固態電解質室溫下較低的電導率也限制了電池的性能。

對海-島結構和纖維電池而言，減少非活性物質的占比就可以顯著提升電池整體的能量密度。對部件級可拉伸電池而言，雖然提高活性物質的含量可以一定程度上提升能量密度，但電極厚度的增加勢必會影響電池的拉伸性，因此需要開發具有更高的電壓平臺及更高容量的電極活性物質，或改善電極的制備工藝；

KIMM 研究團隊開發出的可拉伸電池結構?圖源;網絡

此外，使用高離子電導率的電解質可以降低電池內阻，減少電池內部的不可逆反應，也可以提高電池容量。

其次拉伸過程中的分層問題也很常見，傳統電極漿料形成的電極層與可拉伸集流體之間的模量差異會導致電極在多次拉伸循環后活性物質與集流體間分層。

電極與電解質在電池應變過程中也會產生一定程度的滑移或分離從而使兩者間的界面變差。

目前已有研究通過選用彈性黏結劑或改善涂覆工藝在保證負載量的前提下提高電極層與集流體之間的黏附性，在電極層與集流體之間引入相互作用或在集流體上原位生長活性物質也是一種可行的方法；

電極與電解質之間的界面可以通過提高電解質黏附性、在界面處引入分子間相互作用或采用新型組裝工藝來改善。可拉伸電池的封裝材料及工藝選擇尚未受到太多關注。

基于其應用場景，設備的安全性應該是制備過程中要考慮的主要因素，尤其是目前的封裝材料在經歷多次拉伸后很難保持良好的水氧隔絕性，更應該避免使用液態電解質，過于厚重的封裝難以與柔性設備集成，因此應著力開發質輕、隔絕性好、拉伸性好的封裝材料，以滿足可穿戴設備的應用要求。

最后，大多數研究中只展示了簡單的應用，即為LED燈供能，但實際應用中可拉伸電池往往需要與更加復雜的電子設備集成。

目前已開展了許多很有前景的相關工作，如使用Kirigami電池為智能手表供電；將編織后的纖維電池集成到服裝及智能頭帶中，但其更多關注的是電池的柔性，制作成本也相對較高。

即使是性能最高的可拉伸電池仍和傳統的剛性電池有差距，因此從結構到材料都需要不斷改進革新。在這個過程中還需要同時考慮電池的制備成本及可量產性。

3結論

本文對可拉伸電池的研究現狀進行了總結，詳細介紹了實現電池拉伸性的不同策略，其中設備層面的可拉伸電池受限于其結構的特殊性，往往需要復雜的加工工藝，形變過程復雜；

通過可拉伸部件制備的柔性可拉伸電池，制備工藝相對簡單，應變大多發生在平面內，但電化學性能仍顯不足。

兩種策略在性能及應用場景方面均存在優勢和劣勢，但也同時面對著如能量密度、封裝工藝、設備集成等一系列共性問題。總的來說，可拉伸電池是新一代柔性電子器件的重要組成部分，如何設計開發新型高性能可拉伸電池仍需不斷探索研究。

參考資料：可拉伸儲能電池最新研究進展 作者：田云超，王勇，陳紹山，馮弈鈺，封偉

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原文始發于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：可拉伸儲能電池？最新研究進展如何？