5G和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)催生了人們對(duì)可穿戴電子設(shè)備的需求。然而，目前缺乏合適的柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為可穿戴電子設(shè)備的“致命弱點(diǎn)”。在電池結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)到柔性的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，相應(yīng)產(chǎn)生的附加問(wèn)題對(duì)電池設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在此，清華大學(xué)周光敏團(tuán)隊(duì)對(duì)用于可穿戴電子設(shè)備的柔性鋅基電池合理設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述研究。本綜述全面回顧了目前開(kāi)發(fā)柔性鋅基電池的進(jìn)展，包括其電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極，并從其合成、表征和性能驗(yàn)證方面進(jìn)行了討論。

通過(guò)闡明柔性鋅基電池設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)，作者總結(jié)了以往研究的方法，并提出了未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)。最后，總結(jié)了鋅基電池的研究范式，以適應(yīng)在迭代過(guò)程中不斷增長(zhǎng)的可穿戴電子設(shè)備的需求將有助于鋅基電池未來(lái)的發(fā)展。

圖1. ZIBs和ZABs的機(jī)理示意圖

鋅基電池除高比容量、低成本的正極材料和高安全性等優(yōu)勢(shì)外，鋅基電池還顯示了用于可穿戴設(shè)備的高適應(yīng)性。為了清楚地說(shuō)明問(wèn)題，本文提供了一個(gè)與可穿戴電子設(shè)備發(fā)展相對(duì)應(yīng)的鋅基電池的指南主要分為三個(gè)主要階段：

第一階段：實(shí)際操作的評(píng)估

為了滿足自由穿戴和便攜利用的需求，鋅基能源必須具有在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的能力。因此，提高柔性電池的力學(xué)性能是迫切需要的，這表明凝膠電解質(zhì)改性和一體化制造方法具有廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)，在超高溫或超低溫下工作的能力是未來(lái)鋅基電池的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，這正在成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

第二階段：多功能可穿戴設(shè)備合作

除了面向功能的可穿戴傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的時(shí)代，越來(lái)越多的研究人員青睞提供更多交互使用體驗(yàn)的多功能可穿戴電子系統(tǒng)。對(duì)于雙功能系統(tǒng)，除了電池本身的性能，還需要考慮更多的因素，包括可穿戴設(shè)備的適應(yīng)性和與其他部分的配合。

第三階段：小型化設(shè)備中的新電池設(shè)計(jì)

隨著下一代可穿戴電子產(chǎn)品呈現(xiàn)出明顯的小型化和集成化趨勢(shì)，一些研究人員提出了一種微型可穿戴或可植入電子產(chǎn)品的無(wú)電池設(shè)計(jì)，以滿足其電源需求。除了傳統(tǒng)的小而輕的電池，這些小型化電子產(chǎn)品使用無(wú)線電源。

基于上述挑戰(zhàn)，作者根據(jù)可穿戴設(shè)備在不同維度的需求，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度對(duì)鋅基柔性電池的發(fā)展提出了展望。

對(duì)于電池研究者，作者提出了一些具體的建議：① 面向商業(yè)化的柔性鋅基電池體系亟待評(píng)價(jià)；② 柔性鋅基電池電化學(xué)窗口的擴(kuò)大；③ 人工智能輔助電池機(jī)理探索；④ 利用生物材料實(shí)現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)和綠色化學(xué)；⑤ 下一代電池封裝技術(shù)揭示了柔性能源的無(wú)限潛力。

圖2. 可穿戴設(shè)備和柔性鋅基電池的發(fā)展趨勢(shì)

Rational Design of Flexible Zn-Based Batteries for Wearable Electronic Devices, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.2c09509