隨著可穿戴電子產(chǎn)品市場的不斷增長，柔性和可穿戴式儲能裝置受到越來越多的關注。纖維狀電池顯示出獨特的一維結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的靈活性、小型化潛力、對變形的適應性和與傳統(tǒng)紡織工業(yè)的兼容性，特別有利于可穿戴應用。近年來，在纖維狀電池領域的研究前沿，除了具有更高的性能外，多功能、可擴展和可集成系統(tǒng)的發(fā)展也是主要主題。然而還存在著許多難題，包括隔膜的封裝難、內(nèi)阻高，耐久性差。
論文綜述了纖維狀電池的設計原理（如電極制備和電池組裝）和器件性能（如電化學和機械性能），包括鋰基電池、鋅基電池和其他一些有代表性的系統(tǒng)。重點研究具有環(huán)境適應性、刺激響應性和可擴展性到能源紡織品的多功能器件，希望對未來的研究方向有所啟發(fā)。最后，作者還討論了這些電池在實際可穿戴應用中的技術挑戰(zhàn)，旨在為進一步改進提供可能的解決方案和新見解
本文首先介紹了纖維狀電池的設計基礎，包括典型的電極、電解質(zhì)、器件結(jié)構(gòu)和相應的制作方法。然后，詳細討論了電極制備、電池組裝、電化學性能和柔性評價等方面的前沿研究，并簡要介紹了各個步驟的關鍵成果。然后重點介紹了多功能性、可擴展性以及與其他儲能/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成的前瞻性探索方向。最后，討論了纖維形狀電池在未來可穿戴應用中面臨的主要挑戰(zhàn)，為所需改進提供可能的解決方案和一些見解。
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實現(xiàn)所需的柔性電極從根本上需要以下物理化學方面的協(xié)同：
i）導電基板和活性材料之間的強界面粘附力；
ii）活性材料在導電基板上的高質(zhì)量負載以實現(xiàn)電池的高能量密度。
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二是利用旋壓技術將活性材料（例如聚合物、CNT、氧化石墨烯（GO）和金屬氧化物膠體）并入纖維基板，以實現(xiàn)具有固有電化學特性的混合纖維電極。三是在纖維基板表面原位生長/合成活性材料。
上述方法各有優(yōu)缺點，纖維電極制備方法的選擇取決于實際的應用要求和相應優(yōu)缺點的平衡。圖1為各種電極和集流器的示意圖和SEM圖。
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圖4 水/防火纖維狀電池
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主要包括細長結(jié)構(gòu)引起的高內(nèi)阻、制造難度、隔膜放置的難度、封裝難度、厚度最小化難度、機織/針織的機械性能不合格、紗線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難度、安全問題、多功能性和集成性、纖維電池作為電池等。
近幾年來，纖維狀電池領域發(fā)展迅速，取得了巨大的成就，在實際的可穿戴應用中顯示出巨大的前景。因此，本文從電極制備、新穎的結(jié)構(gòu)設計、電化學性能和柔性評價等方面綜述了與所取得的關鍵進展相關的最新纖維狀電池系統(tǒng)。將繼續(xù)致力于追求更高的電化學性能、新材料、有效的制造策略和降低成本。從纖維狀電池到織物基電池的大規(guī)模生產(chǎn)過程，具有高通量、生物相容性和穿著舒適性，對可穿戴應用具有重要意義。
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此外，通過對新型智能功能材料的優(yōu)化以及與基本纖維狀結(jié)構(gòu)的巧妙配合，可以實現(xiàn)多功能化，這對于拓寬這些一維器件的應用范圍至關重要。有時，特定功能和電化學性能不能同時得到改善；在這種情況下，必須達到平衡。從光伏轉(zhuǎn)換裝置、納米發(fā)電機和衛(wèi)生保健傳感器等多學科研究領域集成纖維狀電池和其他系統(tǒng)，對消費者具有更高的應用價值，并可能在未來的研究領域帶來技術革命。
An Overview of Fiber-Shaped Batteries with a Focus on Multifunctionality, Scalability, and Technical Difficulties（Advanced Materials 2019, DOI: 10.1002/adma.201902151）
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