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导读：
在过去的几十年里，可充电锂离子电池一直主导着从便携式电子设备到电动汽车的能源存储和转换设备的主要市场。然而，成本和安全问题一直阻碍着锂离子电池的大规模应用。因此，越来越多的研究人员将目光转向了具有高安全、低成本、可持续和环境友好的可充电水系锌离子电池。
与传统的无机正极材料相比，有机化合物担任正极材料具有低毒、结构可调、合成可控和来源丰富等显著优点，引起研究人员的极大兴趣。小分子放电产物容易水解，导致电池循环性能差，而聚合物因其有较大的Π共轭结构和较大的分子量，在充放电过程中能稳定存在，是理想的有机正极材料。然而，聚合物正极放电容量低，倍率性能差等问题限制了其在水系“锌”电池中的进一步应用
随着固态电化学储能技术的复兴和进步，近年来，研究人员赋予固态电池各种形状因子和机械灵活性，以克服电子设备中与电源相关的设计和性能限制。图2总结了文献报道的典型的可定制固态电池类型、适形性及其电化学性能。
图2. 代表性可定制固态电池：
电池形状、适形性与电化学性能
“可打印固态电池”作为一种新的电池系统出现，以实现设计多样性、灵活性、可集成性和高安全性。这种技术允许在各种基板（包括柔性和非平面基板）上制备受控厚度的兼容层/界面，从而实现可针对特定应用定制的电池结构设计。
目前，“可打印固态电池”设计的关键问题主要包括：（i）具有易加工性、可重复、通用性和低成本的合适打印技术（如2D和3D打印）；（ii）用于打印电极、固体（或准固体）电解质、隔膜和集流体的电池组件的功能“油墨”；（iii）电池形状因子和结构，例如，适形电子产品和最大化空间利用的特殊形状电池。文章分别针对可打印“油墨”的设计原则、2D打印技术和相应的材料选择、3D打印技术和相应的材料选择进行了分析和讨论。
提高电池的安全性和能量密度对电动汽车的发展具有重要意义。然而，高能量密度的电池容易发生热失控和机械损坏，一种潜在的强大解决方案是将固态电池用作结构电池，以提供储能和承重能力。这样，由于结构部件的质量减少，预计车辆总重量将减少，从而提高电动汽车的续航里程。结构电池的成功构建取决于电池复合材料的发展，即纤维增强复合材料（如图3）。
近年来，“结构电池”概念已受到领先的电动汽车公司的关注。结构电池的主要挑战是开发先进的聚合物电解质，缺乏高离子导电性和刚性的聚合物电解质将阻碍结构电池的实现。然而，高离子电导率和良好的刚性通常相互矛盾。聚合物固体电解质有望在这两种性能之间实现平衡，这可以最大限度地减少电解质泄漏问题，并提供更好的保型性。
用于构建结构电池的聚合物固体电解质需要提供0.1到1 GPa之间的压缩/剪切刚度，并确保离子电导率为∼1 mS/cm。到目前为止，已报道的用于结构电池的聚合物固体电解质基体主要包括：PVDF、聚乙二醇（PEG）、环氧树脂、聚乙二醇二缩水甘油醚（PEDGE）和双酚A二甲基丙烯酸酯等。
图3.（a）叠层结构固态锂离子电池和（b）3D纤维结构电池的结构示意图；（c）结构电池作为电动汽车车体结构示意图；（d） 2016年英国皇家航空学会（Royal Aeronautical Society）推出的获奖设计项目Hybris，设计了一种带有结构电池的轻型飞机。
结构电池不仅有可能取代绿色交通系统中的结构组件，而且有可能取代机器人中的结构组件。这种结构电池需要高度的身体适应性，称为生物形态结构电池。锌-空气电池由于其较高的理论能量密度（1353 Wh/kg）、增强的安全性和环境友好性，在生物形态结构电池领域具有格外的吸引力。
Kotov等人利用芳纶纳米纤维（ANF）作为机械承重骨架，设计了一种用于结构锌-空气电池的固体复合电解质。用软离子（OH−）传输成分浸渍ANFs ，即季铵官能化聚乙烯醇（QUPA），以实现高机械稳定性（杨氏模量∼120 MPa、抗拉强度为20 MPa、抗拉韧性为∼3500 J/m3） 和良好的室温离子电导率（61.3 mS/cm）（图4）。
图4.（a）基于不同ANF分散浓度的QUPA/ANF电解质膜的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率。（b）比较了PVA、QUPA、QUPA/ANF和商用A201膜在室温下的离子电导率。（c） 基于不同膜的锌-空气电池在5 mA/cm
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电流密度下的恒电流放电曲线.（d和e）由生物形态锌-空气电池构成的机器人照片。（f）锌空气电池结构示意图。集成到微型生物形态机器人中的锌-空气结构电池：（g）毛虫、（h）蝎子、（i）蜘蛛、（j）蚂蚁。
目前，
对可定制固态电池的研究还处于起步阶段。由于材料选择有限，大多数器件的电化学性能不如当前同类器件。为了提高可打印固态电池的能量密度，需要研究用于电极的改进功能油墨，其中包括高能量密度活性材料（例如合金和转换型材料）和具有适当离子/电子电导率的纳/微米材料。
同时，
应减少电极油墨中非活性成分（如聚合物粘合剂和导电添加剂）的质量比例。未来具有高度可定制性的电化学储能器件不仅体现在可定制的形状和灵活性上，还体现在可定制的功能上。
已报道的定制功能包括
自供电、自愈、形状记忆、承重、电致变色、光电检测和传感功能，这些功能将在人工智能和仿生技术应用中得到广泛探索。材料、组件结构、器件制造和系统集成的进步将允许制造商/用户根据实际需要设计/选择器件性能，如容量、灵活性、形状和功能，这些被认为是下一代智能电子产品的关键。
总的来说，
固态电池在形状和灵活性方面的创新标志着可定制固态电池技术的诞生，我们现在正站在一个新的历史阶段，以创建下一代用户友好的可定制多功能固态电池。通过材料工程、结构演变、大规模生产技术的发展和多功能系统的集成，可定制固态电池将为未来的智能电子和绿色交通系统铺平道路。
Lu Wei, Song-Tao Liu, Moran Balaish, Zhuo Li, Xiao-Yan Zhou, Jennifer L.M. Rupp and Xin Guo. Customizable solid-state batteries toward shape-conformal and structural power supplies. Materials Today, 2022.
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