很Q很弹的储能器件

柔性储能器件，顾名思义就是可以反复弯曲、拉伸、扭曲的储能器件。储能器件既可以是锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池等，也可以是超级电容器等。尽管当前柔性电池的市场很小，相比于传统锂电池几乎可以忽略不计，但是谁也不能否认随着柔性屏幕、柔性电路、可穿戴设备的发展，市场对于柔性电池的需求会越来越强烈。我们需要的不仅仅是简单的可以弯曲的电池，而是可以被多角度“蹂躏”的储能器件。

事实上，越来越多的可穿戴设备就已经亟需柔性储能器件来解救它们焦头烂额的待机时间了。

在文献中，统称的柔性（Flexible）其实可以有很多维度。比如可弯曲的（bendable）^[1]：

比如可扭曲的（twistable）^[2]：

再比如可拉伸的（stretchable）^[3]：

本文尝试总结一下可拉伸储能器件的几种设计方式。可拉伸电池稳定性及拉伸状态下电导的变化问题在所有柔性电池中最突出，因此器件设计演变出不同的花样。笔者粗略的将可拉伸弹性电池的设计分成以下几类：线性设计、织物设计、直接借助聚合物基底、弹簧式、波浪褶皱式等方式。

线状设计

先来看看线状柔性电池，由于很容易实现可拉伸，器件结构也相对简单，更可以为后续的纺织做铺垫，因此采用这种设计的相对较多。

线状柔性电池示意图

说到线状弹性器件，不得不提到彭慧胜老师课题组，他们将线状储能器件玩出了不同的花样。采用弹性纤维做卷芯，能制备出了弹性超级电容器，伸缩比可达100% ^[3]，改进工艺后伸缩比最高可达500% ^[4]。

线状弹性超级电容器示意图^[3,4]

为了提高线状柔性电池的体积能量密度，同时避免电池因为充放电体积膨胀使得活性物质层破裂脱落，可将数十至数千万根线状电池复合组装成具有高输出的电池，从外形设计上可以分为集束管状、薄膜状和块状。^[5]

不同组合的柔性电池截面图^[5]

织物设计

简单的说，将线状柔性电池编织在一起就可以制成“纺织电池”，这不但增加了弹性电池的应用范围，也提高了实用性。

“纺织锂电”^[6]

全固态可编织铝-氧电池设计^[7]

有研究者结合传统的纺纱工艺，将弹性聚氨酯、CNTs、聚吡咯编织在了一起，“编织”出超级电容器，实现300%的伸缩率。

纺纱工艺示意图^[8]

借助弹性聚合物基底

抛开线状弹性电池，直接借助弹性交联聚合物将活性物质和导电聚合物负载在这些弹性基底上，也可以实现电池的弹性。

锌锰碱性电池，100%伸缩比^[9]

模板法弹性海绵制备钠电，50%伸缩比^[10]

基于交联聚合物基底的超级电容器，600%拉伸比^[11]

弹簧式设计

说弹性电池不能绕开这篇极具代表性的工作。John A. Rogers大牛是做柔性电子器件的，涉及储能领域并不多，不过这种弹簧式设计（他自称叫serpentine bridge-island design）的电池在2013年还是创造出300%的伸缩比记录。看其中的精细结构，便是将柔性电路的一些想法应用到电池中的产物。

弹簧式柔性电池示意图^[12]

波浪褶皱设计

在制备过程中预先将电极做成波浪式，做成的全电池理所当然的具有了弹性。想法容易，做起来还是有难度的，比如要保证拉伸后电池还能恢复原始大小。另外，怎么保证电极之间距离尽量一致，防止因电极距离差别导致锂枝晶的生成。当然，这种设计中超级电容器优势更大一些，原位生长、3D打印等制备方法也可以结合该设计使用。

“褶皱电池”示意图^[13]

波浪褶皱式超级电容器，500%拉伸比^[14]

3D打印微超级电容器示意图，40%伸缩比^[15]

更进一步，就是通过使用柔性电池驱动柔性可穿戴装备，简单的比如驱动传感器检测。锂空电池的可达拉伸比100%（PS，下面这张图画的很好看有木有~）。

可拉伸锂空电池驱动传感器示意图^[16]

折纸设计

通过折纸设计可拉伸电池让笔者觉得脑洞大开，实用性放在其次，能做出来（而且还有不止一篇文献）就已经很有趣了，脑补一下他们在实验室做实验的场景~~~

“折纸”电池^[17]

其他

随着3D打印技术的普及，通过向打印墨水中添加弹性粘合剂（如SIS）的方法，也可以实现弹性电池的制备，作者选取比较容易打印的锌银电池作为研究对象，看着图中各种“蹂躏”电池，简直让看文献看到烦躁的笔者心情大好。

3D打印锌银电池^[18]

美国斯坦福大学崔屹教授最近在Advanced Materials 杂志发表了关于柔性电池的综述文章（点击阅读详细）。他认为，现在的柔性锂电池和超级电容器面临三大问题：1）设计和制备柔性电极；2）在动态之中的电化学性能稳定性；3）实现高能量密度和高功率密度。^[19]

然而具体说来，如何平衡活性电极材料厚度和弯曲过程中的电池稳定性之间的矛盾，如何同时实现多维度的柔性储能器件，如何解决电池封装，如何实现批产后柔性的均一性……等等等等。是的，尽管很多企业已经开始推广柔性锂电池，但通往商业化的道路上，我们还有很多问题亟待解决。

辉能科技的柔性电池

三星公司的柔性电池表带

参考文献：

1. Adv. Mater., 2014, 26, 2977-2982, DOI: 10.1002/adma.201305600

2. Adv. Energy Mater., 2014, 4, 1301396, DOI: 10.1002/aenm.201301396

3. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13453-13457, DOI: 10.1002/anie.201307619

4. Adv. Mater., 2015, 27, 356-362, DOI: 10.1002/adma.201404573

5. 功能材料, 2016, 10, 10029

6. Adv. Mater., 2016, 28, 4524-4531, DOI: 10.1002/adma.201503891

7. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 7979-7982, DOI: 10.1002/anie.201601804

8. Nano Energy, 2016, 27, 230-237, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.008

9. Adv. Mater., 2012, 24, 5071-5076, DOI: 10.1002/adma.201201329

10. Adv. Mater., 2017, 29, 1700898, DOI: 10.1002/adma.201700898

11. Nat. Commun., 2015, 6, 10310, DOI: 10.1038/ncomms10310

12. Nat Commun., 2013, 4, 1543, DOI: 10.1038/ncomms2553

13. Adv. Mater., 2015, 27, 1363-1369, DOI: 10.1002/adma.201405127

14. Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1601814, DOI: 10.1002/aenm.201601814

15. Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1600282, DOI: 10.1002/admt.201600282

16. J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13419-13424, DOI: 10.1039/c6ta05800k

17. Sci. Rep., 2015, 5, 10988, DOI: 10.1038/srep10988

18. Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602096, DOI: 10.1002/aenm.201602096

19. Adv. Mater., 2017, 29, 1603436, DOI: 10.1002/adma.201603436

（本文由小希供稿）