首页 > 行业资讯 > 西北工业大学官操/徐茜最新Advanced Materials综述：柔性储能器件驱动柔性电子未来的研究进展

西北工业大学官操/徐茜最新Advanced Materials综述：柔性储能器件驱动柔性电子未来的研究进展

时间：2023-08-14 来源：浏览：

西北工业大学官操/徐茜最新Advanced Materials综述：柔性储能器件驱动柔性电子未来的研究进展

Energist 能源学人

能源学人

微信号 energist

功能介绍能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集

【摘要】

柔性电子作为现代科学技术进步的关键驱动力，在可穿戴设备，医疗保健，智能家居等各个领域中扮演着重要角色。因此，迫切需要能够满足各类柔性产品储能需求的柔性储能设备（Flexible Energy Storage Devices，FESDs）。按照空间维度能够将 FESDs 分为三类，各维度设备均具有优异的电化学性能、可靠的安全性和出色的灵活性。西北工业大学官操教授和徐茜副教授团队系统总结了柔性电子领域对于人类未来生活各方面的影响，并从应用场景角度出发阐述了三种维度 FESDs 的研究进展，包括结构设计、材料选择以及性能评估标准。最后，对三类 FESDs 进行整体对比，提出了其未来发展方向与挑战，为获得更加匹配柔性应用需求的储能设备提供了思路。

【主要内容】

1. 研究背景

基于柔性电子技术的快速发展，柔性设备能被应用在日常生活的方方面面，比如监测人体健康的可穿戴传感器，用于便携式外骨骼的柔性微型移动电源，以及用于微创手术和病理诊断的可植入电子设备。更进一步地，柔性电子技术能在网络作用下实现各类柔性设备协同，助力智能家居，智慧城市的发展。然而，柔性应用设备的前提是开发轻便、高效能以及高稳定性的柔性储能设备。从材料选择方面来看，在电解质材料选择中，不同于固态储能器件的易泄露的液态电解质，凝胶电解质和固态电解质能够在变形中与电极保存良好接触降低安全风险，并且独特的生物相容性和自修复性对医疗健康领域应用具有突出意义。从结构设计角度，不同维度设备优劣势截然不同，能够适用的应用领域不同。例如，一维纤维状设备尽管具有高柔性，但能量密度低、安全性差，主要应用在可穿戴领域；二维平面状储能设备能实现不同结构设计，例如堆叠状、叉指状、剪纸状等特殊构型；三维储能设备得益于 3D 打印技术的发展，实现“厚电极”设计，提高设备能量密度。我们对 FESDs 所涉及到的柔性应用领域进行了总结归纳，并对各维度设备的研究现状细致数理总结，以期可以为 FESDs 在未来兼具高柔性与高性能稳定性，更加适应实际应用的需求。

图1 柔性储能设备驱动未来概念图

2. 柔性电子代表性应用领域

随着信息技术、数字化生产、智能生活和日常护理的演变，电子产品的个性化和人性化已经成为不可或缺的需求。对柔性存储、柔性显示、柔性传感、柔性发光和柔性检测的需求促进了新功能的开发，更好地满足了工程应用中复杂的结构界面，为电子信息行业革新提供了条件。

图2 柔性电子应用领域

3. 3 个维度构型设计

结构设计主要关注器件的厚度和组装方法，目的是提高器件的比容量和机械性能。此外，还需要克服对各种材料的限制，使得可以利用任何材料来制备柔性储能装置（FESDs）。鉴于应用场景的多样性，FESDs必须经受住多次变形并保持稳定的机械和电化学性能。为了满足可穿戴、可贴肤或集成式能量存储的具体要求，或者满足柔性电池或柔性超级电容器中平面电极的一般需求，已经开发了三种FESDs结构，分别是纤维型储能设备、平面状储能设备和3D储能设备。

图3 不同维度柔性储能器件结构图

3.1 一维纤维状柔性储能设备

纤维型FESD s 作为一种可穿戴电子设备，分为三种主要结构：平行型、扭曲型和同轴型，要具有良好封装以确保储能稳定。

平行型结构是阳极和阴极在隔离层的两侧并排分布，并进行封装以防止电解液泄漏或受潮污染，材料选择通常是轻质、高能量密度的碳基材料或金属氧化物，制造工艺相对简单，但电极与电解液之间的接触面积较小，活性材料的负载量较低，离子传输路径较长，阻碍了FESD的发展。扭曲型结构弥补了这一缺点，通过将电解质包裹在两个电极扭曲形成双螺旋结构内，不仅提供了短的离子导电通道，而且凝胶电解质或固态电解质的包裹在变形状态下更加安全。同轴结构是在一个核心轴上将内部电极、电解质、隔离层和外部电极进行层状沉积，增加了电极/电解质界面面积，相比平行和扭曲结构提供了高电子导电性和高界面电荷转移效率。

3.2 二维平面状柔性储能设备

平面状 FESDs 最简单的制备方法是阳极、阴极、隔离层和封装层逐层叠加构成层状三明治结构。然而，逐层叠加的平面FESD s 设计臃肿，不符合柔性要求，在弯曲过程中层与层之间可能发生意外接触，导致脱离并影响器件性能，存在安全隐患。而叉指电极不需要隔离层，提供了更快离子传输通道，在多次弯曲后仍保持稳定性。并且在综合叉指电极和层叠设计的优势后，提出了一种空间交错结构，由多层叉状结构反向堆叠而成，有利于获得高面积电容。除此之外，岛桥结构、褶皱结构、剪纸结构等特殊构型提高了器件的柔性和效能。

3.3 3D 柔性储能设备

典型的3D柔性储能器件结构包括集流体、电极和电解质。各部位需要在机械变形下保持高效能与高稳定性。为了解决集流体与活性材料的粘附性较差的问题，避免变形时脱落，电极结构应设计为改善活性材料的负载和粘附度。材料方面可采用柔性导电材料来取代传统的金属材料，以实现储能器件所需的柔性。结构方面利用 3D 打印技术实现精细特色结构，例如负泊松比结构、负折射率结构等。但同时， 3D 打印墨水中的添加剂对于电极导电性的影响需要被考虑。

4. 总结与展望

不同维度的 FESDs 具有不同的特点，在满足各类应用场景需求时还存在一些问题。对于柔性储能设备来说，同时具备柔性、高效能、高稳定性、高安全性是未来的发展方向；对于柔性电子应用领域来说，实现储能设备与应用技术的结合，通过应用需求与制造技术的不断创新推动人类对于各领域柔性应用的探索。

图4 不同维度柔性储能器件对比及未来发展方向图

【作者简介】

官操

西北工业大学柔性电子研究院教授，国家级青年人才项目获得者，西北工业大学学术委员会委员，分析测试中心副主任，柔性电子前沿科学中心副主任。研究工作主要集中于柔性储能材料和器件。已发表论文100余篇，H因子62。获2019-2022科睿唯安高被引学者。

徐茜

西北工业大学柔性电子研究院副教授，入选陕西省科协青年人才托举计划项目。长期从事增材制造印刷流墨开发和能源转换储能材料的研究。以第一或者通讯作者身份发表30余篇研究论文，包括Advanced Materials, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Nano Lett., Applied Catalysis B: Environmental等，申请授权国内外专利10余项。