面向下一代储能技术的新材料综述

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电化学储能已成为便携式医疗和电子设备以及地面和空中交通工具的关键。然而，在设计美观性、方便性、系统简单性和可靠性角度，传统的超级电容器和电池通常很难集成到许多新兴技术中，如智能纺织品、智能首饰、纸质杂志或书籍、具有数据收集或其他独特功能的包装、电缆、柔性可穿戴电子设备和显示器、柔性太阳能电池、表皮传感器等。此外，传统储能装置通常功能单一，不能随时间生物降解，不能触发药物释放，也不能作为传感器、天线或执行器工作。然而，越来越多的未来技术将要求电池和混合设备能够无缝集成到系统中，并适应各种形状、形式和设计功能。

近日，来自美国乔治亚理工学院GlebYushin教授领导的国际研究团队在Materials Today上以Materials and technologies for multifunctional, flexible or integrated supercapacitors and batteries为题发表综述文章，集中总结了在开发主要是纳米结构和纳米工程材料方面取得的最新进展和挑战，为实现下一代更轻、更小和更智能设计的储能装置勾勒了具体的实现路线图。

图1. 面向下一代储能技术的新材料概览。

图源：Materials Today 48, 176-197 (2021).

随着科技的发展，能源储存技术的持续提高正在重塑我们的日常生活，并引领我们走向能源可持续发展的未来。三十年前，没有人预见到锂离子电池的发明会引发从几款大型无线设备到数量空前的便携式电子设备和电动工具，从燃料燃烧到全电力运输的革命性转变。如今，大多数需要轻质紧凑储能的应用依赖于锂离子电池，而一些能耗要求较低的应用则需要超快速充电、更高功率和可靠的双电层电容器。其他可充电电池和超级电容器化学制品也被用于或探索成本更敏感或不能使用易燃或挥发性电解质的应用。

虽然对电池和超级电容器系统的电化学的深刻理解对于技术改进至关重要，但开发可扩展、可靠和廉价的制造路线，用于币形电池、袋式电池和电池形式的活性材料和储能装置，圆柱形和棱柱形电池对锂离子电池和双电层电容器市场的成功起到了同样重要的作用。然而，许多新兴的尖端技术需要不同的形状因素和储能技术的机械性能，以增强其设计美观性和便利性，减少其总重量或体积，并进一步提高系统的简单性和可靠性。此类技术的典型例子包括智能服装、鞋子和珠宝、柔性可穿戴电子设备和显示器、纸质杂志或书籍以及具有数据收集或其他独特功能的包装，用于监测和个性化医疗（诊断和治疗）的智能表皮传感器和其他类型的传感器，在大流行病（如新冠疫情）期间、植入式医疗设备对运动员和病人、老人以及所有人来说都变得非常重要，柔性太阳能电池、物品跟踪传感器、轻型无人机、外骨骼、物联网（IoT），等等。随着全社会对这些技术越来越感兴趣，这将促使先进储能技术的发展，先进储能技术将会可以与其他部件集成，采用不同的形状，或在各种弯曲、拉伸或压缩状态下进行大量重复的机械变形。

因此，能够与其他设备的集成、具有灵活性和一致性，以及多功能性的新一代电池和超级电容器将在未来得到广泛的应用。

图2.下一代多功能电池示意图。

图源：Materials Today 48, 176-197 (2021).

集成电路的发展和巨大成功的商业化表明，将多个组件组合在一个设备中不仅可以提高设备的可靠性和降低成本，还可以加速该领域的创新和进步。进一步的一步是在一个产品中集成多个设备（包括储能），以降低系统复杂性、可靠性和美观性。

为更智能的弹性变形产品（如传感、通信和功能更强大的产品）提供廉价灵活的电子设备以及使其自给自足的愿望的出现，将要求为其提供动力的储能解决方案具有类似的机械性能。此外，为了最大限度地利用产品中剩余的可用体积，需要独立地进行能量储存，以符合不规则的体积和形状。因此，文章预计未来人类社会对储能的需求将不断增加，储能可以变得更薄、可弯曲、可拉伸或可整合。

为了实现在特定条件下运行的整个储能装置的某些物理或机械性能，其单个组件（电极、分离器、电解液、集电器、包装等）的性能也需要优化。这些反过来又取决于构成它们的材料的形状、尺寸、密度和其他特性。尽管集成、灵活或多功能储能系统的发展仍处于初级阶段，材料科学前沿的快速发展以及可伸缩材料合成和组件制造与集成技术的采用和进一步发展将为其广泛的商业成功铺平新的道路。本综述概述了开发储能以满足这些新兴应用的新要求方面取得的最新进展和面临的挑战。文章分析了几种形成结构电池的方法，并解释了设备设计和使用的材料如何定义设备力学和功能。最后，文章为克服性能和制造成本方面的主要技术差距提出了路线图和时间表。

图3. 下一代电池技术在生物医药领域的应用。

图源：Materials Today 48, 176-197 (2021).

一维材料

一维（如电线或带状）形状的储能装置适合许多可穿戴电子装置、智能纺织品和珠宝、隐藏装置、传感器、，软机器人和其他应用，其中柔性电缆或光纤可以更容易地融入设备形状和结构，而不会失去整体设计的一致性或优雅性。纤维几何结构允许多个自由度的变形，因此当需要最高程度的灵活性时，它也是首选选项。多个一维电缆形状的设备也可以集成在一根电缆内，或嵌入织物中，以实现定制功能。例如，最近已成功使用定向碳纳米管纤维和TiO2纳米线构建能够在同一设备中进行光电转换和能量存储的扭曲纤维系统。纤维状超级电容器和能量转换系统（如纳米发电机、太阳能电池或微生物燃料电池）的智能集成使自供电纺织品具有可持续的能量收集和可穿戴电子设备的存储能力。

二维材料

二维薄膜储能装置特别适合用于薄或分层产品，如智能卡、包装和标签、杂志、书籍、皮肤贴片和医疗设备、珠宝以及包括柔性电子元件的广泛其他产品。薄而灵活的超级电容器和电池可以通过使用薄（1-10 µm）薄膜技术或基于更传统的积木的单层袋，其中基于颗粒的阳极（通常为10–100 µm厚），隔离层（5-20 µm）和颗粒基阴极（10–100 µm）夹在一起，用电解液填充并密封。

与一维电池类似，一维形状的材料（纳米管、纳米线和纳米纤维）或二维形状的材料（纳米薄片）或其组合可有利地用于柔性袋式电池中，因为它们通常对设备组件带来的机械变形具有优异的弹性。这种考虑不仅适用于活性材料，也适用于非活性材料。例如，为了获得更高的抗拉强度、更高的柔韧性、可拉伸性和抗疲劳性，传统的金属集电器（例如铝、铜箔）可以被由碳纳米管、碳纤维、改性纤维素或聚合物构成的柔性导电基底所取代。然而，值得注意的是，柔性基板的高导电性对于其在相对大功率和中大型器件中的实际应用是至关重要的。除了平面设备应用，二维超级电容器和电池还可以折叠成三维结构，如kirigami、折纸和脊椎折叠设计，进一步增加弯曲模式。

在过去的十年中，通过在刚性或柔性基板上集成器件组件，人们越来越多地致力于二维微型电池和微型超级电容器的开发。刚性芯片（例如，基于硅晶片）是微加工中最常用的，用于与其他微系统集成。然而，对于柔性电子、柔性显示器、健康监测和其他需要柔性或在各种机械变形下减少应变的应用，微型电池和微型超级电容器可以构建在软（如聚合物）板上。

图4. 具备生物相容性的下一代电池技术。

图源：Materials Today 48, 176-197 (2021).

总结与展望

本综述讨论了一维、二维和三维电池和超级电容器，这些电池和超级电容器具有替代设计或设备架构，可能更适合适应机械变形、符合各种形状、与其他设备集成以及承载功能。与传统电极相比，传统电极由金属箔集电器上铸造的相对易碎且彼此粘结不良的微米级颗粒制成，在有源和非有源器件组件中使用一维、二维和多孔三维纳米结构材料不仅可以克服这些限制，同时，它还可以在广泛的细胞化学中大大提高此类器件的机械性能、离子传输和速率性能。文章回顾了离子液体、聚合物、无机固体电解质、，与用于多功能和集成电池的传统有机电解质和水电解质进行了比较，得出结论认为，在大多数应用中，仍然需要进一步增强替代电解质的离子导电性和可加工性。替代性器件结构和新型纳米结构材料的形成通常需要使用替代性器件制造和合成方法。文章总结了浸涂、逐层沉积、电沉积、电泳和化学沉积、喷涂和纺丝、各种印刷技术、光刻、气相沉积技术、脱合金、蚀刻、剥落、自组装和其他技术的使用。文章进一步总结了结构电池和其他具有特殊性质或特征的多功能和独特电池的示例，如可植入电池、药物释放触发电池、瞬时、可生物降解或自毁电池、生物流体激活电池、电化学促动电池和海水淡化电池。

图5. 柔性电池的市场规模预测。

图源：Materials Today 48, 176-197 (2021).

尽管迄今为止取得了重大进展和创造性想法，但多功能、柔性和集成电池和超级电容器的制造和应用仍处于初级阶段。替代设备体系结构目前实施起来仍然非常昂贵。合适的纳米结构材料的生产量很小。制造所需的许多现代材料合成和沉积技术已经提供了非常好的可靠性和精确控制，但其生产规模相对较小或成本较高。可能导致更快的自放电、更短的循环和日历寿命以及体积能量密度降低。需要制定技术原则和标准来测试和比较多功能电池的性能。此外，此类标准可能需要针对特定应用进行调整。

从积极的方面来看，随着材料科学、电化学、微/纳米制造、工艺工程、模拟、计算和机器学习等领域的快速发展，文章相信许多现有材料和合成限制将在未来数年内逐步克服。柔性电子、传感器、物联网、替代能源、自动驾驶汽车、电动航空和无人机、智能包装、智能服装和智能纸制品等市场的快速发展将推动这些发展的需求。因此，文章相信，未来对学术界和工业界共同努力的投资将导致此类储能技术商业化的快速进展。

参考文献：

Wenbin Fu, Kostiantyn Turcheniuk et al. Materials and technologies for multifunctional, flexible or integrated supercapacitors and batteries. Materials Today 48, 176-197 (2021).

信息来源：公众号【低维 昂维】

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