近年來，智能可穿戴設(shè)備由于其特有的便攜性、實(shí)用性逐漸引起人們的關(guān)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(shè)備均得以迅速發(fā)展。
這些電子器件大多采用超級電容器或電池對其進(jìn)行供能，與人體緊密貼合的電子設(shè)備往往需具備一定的柔性和形變能力，然而傳統(tǒng)的儲能設(shè)備受其材料及制備工藝的限制大多表現(xiàn)出較強(qiáng)的剛性，難以滿足新一代柔性穿戴設(shè)備的需求。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
因此許多研究致力于開發(fā)新型柔性可拉伸儲能設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)在拉伸過程中持續(xù)穩(wěn)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(lǐng)域具備一定優(yōu)勢。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
傳統(tǒng)商用電池的集流體、電極、隔膜/電解質(zhì)和封裝材料等部件并不具備承受應(yīng)變的能力，很難用于可穿戴設(shè)備。為滿足可穿戴設(shè)備對儲能設(shè)備提出的新要求，急需開發(fā)具備拉伸性及良好電化學(xué)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(zhì)的制備及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計；
（2）電池處于應(yīng)變下的電化學(xué)性能及拉伸循環(huán)過程中的穩(wěn)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(fā)，將可拉伸電池分為設(shè)備可拉（一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)）和部件可拉兩個層面（圖1），列舉了實(shí)現(xiàn)電池拉伸性的不同方法及其典型實(shí)例，評價了不同策略的優(yōu)缺點(diǎn)，并對柔性可拉伸電池當(dāng)前發(fā)展所面臨的問題及今后的發(fā)展方向進(jìn)行了概述。
1可拉伸電池的設(shè)計
柔性可拉伸電池能否在合理的應(yīng)變范圍內(nèi)保持良好的電化學(xué)穩(wěn)定性是評價其性能的首要標(biāo)準(zhǔn)。對于電子皮膚這類與人體緊密貼合的設(shè)備而言，其所能承受的應(yīng)變應(yīng)不低于30%，同時設(shè)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(shè)備，其最大應(yīng)變應(yīng)高于100%同時具備更低的模量。電池整體的力學(xué)性能如彈性模量、屈服強(qiáng)度等在很大程度上影響著電池的容量。
因此要實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的剛性電池到柔性可拉伸電池的轉(zhuǎn)變，需要電池內(nèi)部各部件在保持原有的電化學(xué)性能的同時具備一定的強(qiáng)度及應(yīng)變能力，這就意味著要對以下材料進(jìn)行開發(fā)研究：
（1）兼具高電化學(xué)穩(wěn)定性及高導(dǎo)電性的可拉伸集流體；
（2）室溫下具備高離子電導(dǎo)率的可拉伸電解質(zhì)；
（3）應(yīng)變狀態(tài)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(shù)就是其能量密度和功率密度，這與電極的活性物質(zhì)負(fù)載量和電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率緊密相關(guān)。
大部分電極制備是將活性物質(zhì)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(dǎo)致需要在電極厚度上進(jìn)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(tài)電解質(zhì)在拉伸過程所產(chǎn)生的腐蝕及泄露等一系列問題降低了設(shè)備的安全性，因此并不適合應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備。陶瓷基電解質(zhì)雖具備較高的離子傳導(dǎo)能力，但剛性較強(qiáng)難以適應(yīng)形變。
聚合物電解質(zhì)可以通過向鏈間引入各類分子間相互作用改善其力學(xué)性能，但室溫下較低的離子電導(dǎo)率及電極/電解質(zhì)之間的高界面阻抗會限制電荷轉(zhuǎn)移從而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。
理想情況下，可拉伸電池的電解質(zhì)應(yīng)為固態(tài)，可以含有少量增塑劑，使其在保證力學(xué)強(qiáng)度及拉伸性的同時有足夠的離子電導(dǎo)率。
目前柔性可拉伸電池的設(shè)計策略主要有以下兩類：
（1）在設(shè)備層面對電池進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計使其具備獨(dú)特的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)各部件均具備拉伸性。
1.1設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計
制備可拉伸電池的一個主要策略是改變電池的整體結(jié)構(gòu)使其可以通過在宏觀上的形狀變化來適應(yīng)形變從而避免電池內(nèi)部的剛性部件直接承受應(yīng)力，這種策略使傳統(tǒng)電池材料在滿足特定結(jié)構(gòu)的條件下也可以具備拉伸性。
可拉伸電池的整體結(jié)構(gòu)可分為一維柱狀結(jié)構(gòu)，二維平面結(jié)構(gòu)和三維立體結(jié)構(gòu)，本節(jié)將分別展示各種結(jié)構(gòu)的實(shí)例并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。
1.1.1一維結(jié)構(gòu)
一維結(jié)構(gòu)是指由纖維電極和凝膠電解質(zhì)組成的柱狀電池，電池內(nèi)部電極平行排列，凝膠電解質(zhì)防止正負(fù)極接觸并提供離子通路，這種結(jié)構(gòu)最顯著優(yōu)勢為尺寸小及具備可編織性。
纖維電極作為構(gòu)建一維可拉伸電池的關(guān)鍵部件，它需要在保證高導(dǎo)電性和良好的力學(xué)性能的同時兼具柔性，而金屬材料大多數(shù)是剛性的，柔性輕質(zhì)的聚合物纖維往往導(dǎo)電性不足，相比之下，碳基纖維由于其低密度、高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的特點(diǎn)而被選用作為纖維電極基體材料。
當(dāng)前，石墨烯、碳納米管（CNT）等碳基材料已廣泛應(yīng)用于儲能設(shè)備中，CNT因其較大的縱橫比致使構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在大應(yīng)變下仍能保持良好的導(dǎo)電率，從而吸引了大量相關(guān)研究。
纖維電池因其特有的編織性，已被證實(shí)可以應(yīng)用于如LED腕帶、智能衣物、充電頭帶等多種柔性設(shè)備，但較小的纖維直徑必然會導(dǎo)致活性物質(zhì)負(fù)載量較低從而很難實(shí)現(xiàn)整體的高能量密度。
同時，纖維電極的電導(dǎo)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(xù)研究中，仍需研發(fā)除碳基材料以外的纖維電極，以實(shí)現(xiàn)大長度的高性能纖維電池的制備。
1.1.2二維結(jié)構(gòu)
電池各組件通過堆疊層壓而形成的二維結(jié)構(gòu)可拉伸電池，相較于一維柱狀結(jié)構(gòu)，其可以通過增加活性物質(zhì)負(fù)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(jié)構(gòu)的可拉伸電池分為波浪結(jié)構(gòu)和圖案化設(shè)計兩類。
1.1.3三維結(jié)構(gòu)
相異于二維堆疊結(jié)構(gòu)，電池可以通過進(jìn)行平面折疊來適應(yīng)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(jīng)典實(shí)例是由Jiang等[47]展示的折紙電池。
在這項(xiàng)工作中，通過將常規(guī)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(shí)現(xiàn)電池的拉伸性。該裝置能沿預(yù)定方向達(dá)到1300%的應(yīng)變。
總體來說，三維立體結(jié)構(gòu)相較于平面結(jié)構(gòu)，可以承受的最大應(yīng)變顯著提高，但應(yīng)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(shè)備。
通過折疊、剪裁制備的可拉伸電池在循環(huán)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(yīng)力，從而對電池的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。復(fù)雜的加工制備工藝成本較高，也使其很難大規(guī)模制備。
1.2電池部件設(shè)計
設(shè)備層面上的可拉伸電池雖然可以使用傳統(tǒng)電極材料，但特殊的結(jié)構(gòu)必然需要復(fù)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(yīng)用場景。
理想情況下，可拉伸電池應(yīng)該是電池內(nèi)各部件本身都具備拉伸性，以保證電池形變發(fā)生在平面內(nèi)，同時使用類似于層壓工藝的組裝方法，確保電池內(nèi)部具有良好的界面，以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)鋰離子電池而言，電極是將正/負(fù)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(shè)備的需求，開發(fā)具備拉伸性的集流體就顯得尤為關(guān)鍵。
可拉伸集流體在滿足質(zhì)輕、高導(dǎo)電性、高電化學(xué)穩(wěn)定性的同時還需要保證在拉伸過程及拉伸循環(huán)過程中導(dǎo)電性保持穩(wěn)定。目前設(shè)計可拉伸集流體常用的有兩種方法：
（1）將導(dǎo)電填料分散于彈性基底中，通過碳材料或金屬納米材料構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；
（2）將導(dǎo)電材料沉積在彈性體表面，通過對沉積形狀的設(shè)計或表面微裂紋的控制，保證材料在形變時仍保持導(dǎo)電性。
1.2.2電極
電極是電池內(nèi)部發(fā)生電極反應(yīng)存儲能量的部分，通常由活性物質(zhì)、導(dǎo)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(gòu)建可拉伸電極外，還可以通過制備微觀多孔結(jié)構(gòu)骨架或復(fù)合凝膠電極來實(shí)現(xiàn)電極的拉伸性。
1.2.3電解質(zhì)
目前的商用電池大多采用液態(tài)電解質(zhì)，同時使用隔膜將正負(fù)極分隔，嚴(yán)密的封裝和設(shè)備本身的剛性避免了因液態(tài)電解質(zhì)泄露而導(dǎo)致的安全問題。
但對可拉伸電池而言，雖然使用具備多孔結(jié)構(gòu)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(nèi)電解液的存在會導(dǎo)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(shè)備的應(yīng)用場景，可拉伸隔膜與電解液的使用可能并不是最優(yōu)的選擇。
聚合物電解質(zhì)因其良好的安全性和較高的離子電導(dǎo)率近年來得以迅速發(fā)展，通過向聚合物內(nèi)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(zhì)的拉伸性能.
2現(xiàn)存問題及發(fā)展方向
目前已有大量工作對可拉伸電池進(jìn)行了研究，無論是從設(shè)備整體出發(fā)還是從電池的組成部件出發(fā)，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(dá)不到傳統(tǒng)電池的水平，這與較低的活性物質(zhì)負(fù)載量和所選用活性物質(zhì)電壓較低有關(guān)。固態(tài)電解質(zhì)室溫下較低的電導(dǎo)率也限制了電池的性能。
對海-島結(jié)構(gòu)和纖維電池而言，減少非活性物質(zhì)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(zhì)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(fā)具有更高的電壓平臺及更高容量的電極活性物質(zhì)，或改善電極的制備工藝；
KIMM 研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的可拉伸電池結(jié)構(gòu)?圖源;網(wǎng)絡(luò)
此外，使用高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)可以降低電池內(nèi)阻，減少電池內(nèi)部的不可逆反應(yīng)，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(tǒng)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(dǎo)致電極在多次拉伸循環(huán)后活性物質(zhì)與集流體間分層。
電極與電解質(zhì)在電池應(yīng)變過程中也會產(chǎn)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(jié)劑或改善涂覆工藝在保證負(fù)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(zhì)也是一種可行的方法；
電極與電解質(zhì)之間的界面可以通過提高電解質(zhì)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(guān)注。
基于其應(yīng)用場景，設(shè)備的安全性應(yīng)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(jīng)歷多次拉伸后很難保持良好的水氧隔絕性，更應(yīng)該避免使用液態(tài)電解質(zhì)，過于厚重的封裝難以與柔性設(shè)備集成，因此應(yīng)著力開發(fā)質(zhì)輕、隔絕性好、拉伸性好的封裝材料，以滿足可穿戴設(shè)備的應(yīng)用要求。
最后，大多數(shù)研究中只展示了簡單的應(yīng)用，即為LED燈供能，但實(shí)際應(yīng)用中可拉伸電池往往需要與更加復(fù)雜的電子設(shè)備集成。
目前已開展了許多很有前景的相關(guān)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(guān)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(tǒng)的剛性電池有差距，因此從結(jié)構(gòu)到材料都需要不斷改進(jìn)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(chǎn)性。
3結(jié)論
本文對可拉伸電池的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)電池拉伸性的不同策略，其中設(shè)備層面的可拉伸電池受限于其結(jié)構(gòu)的特殊性，往往需要復(fù)雜的加工工藝，形變過程復(fù)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(yīng)變大多發(fā)生在平面內(nèi)，但電化學(xué)性能仍顯不足。
兩種策略在性能及應(yīng)用場景方面均存在優(yōu)勢和劣勢，但也同時面對著如能量密度、封裝工藝、設(shè)備集成等一系列共性問題?？偟膩碚f，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(shè)計開發(fā)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(jìn)展 作者：田云超，王勇，陳紹山，馮弈鈺，封偉
?
原文始發(fā)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(jìn)展如何？