InfoMat综述|纤维状锌电池的研究进展：从结构、制造、优化到应用

摘要：纤维状电池以其独特的一维结构而闻名，具有超高的灵活性、显著的拉伸性和优异的可编织性，使其作为智能可穿戴设备的能量储存解决方案具有极大的吸引力。在各种纤维状电池系统中，水性锌电池因其高比容量、内在安全性和成本效益而成为最有前景的候选电池之一。然而，纤维状锌电池

摘要

纤维状电池以其独特的一维结构而闻名，具有超高的灵活性、显著的拉伸性和优异的可编织性，使其作为智能可穿戴设备的能量储存解决方案具有极大的吸引力。在各种纤维状电池系统中，水性锌电池因其高比容量、内在安全性和成本效益而成为最有前景的候选电池之一。然而，纤维状锌电池 (FZBs) 的实际应用受到可扩展生产、长期运行稳定性和无缝集成方面的挑战的显著阻碍。尽管人们对 FZBs 的兴趣日益浓厚，但仍然缺乏一份全面和系统的综述，以批判性地总结基本组件、电极配置、制造技术和性能提升策略。近日，国防科技大学郑春满教授、刘双科副教授与北京大学邵元龙教授合作对该领域研究进展进行综述。国防科技大学博士研究生罗重阳为本文第一作者。

文章简介

本综述首先总结了 FZBs 的基本组件，比较了各种组装配置 (包括平行、缠绕、同轴和编织结构) 对电池性能的影响。然后总结了纤维电极的各种制造技术，以及从手动到设备辅助和一步组装的组装程序。本综述深入分析了通过材料改性和结构设计来提高电化学和可穿戴性能的策略。此外，它还强调了 FZBs 的多功能应用以及在生理传感和环境监测方面的潜力。最后，本综述指出了 FZBs 商业化的现有障碍，包括能量密度有限、集成过程复杂和内部机制不清楚。基于这些认识，本文提出了未来 FZB 的研究方向和发展举措，以推动 FZBs 领域的发展，从而促进其从实验室原型向商业产品的转型。

图1 纤维状锌电池的概述：结构、制造、优化和应用

（一）结构

纤维状锌电池（FZBs）通常由阴极、阳极、电解质、隔膜、集流体和封装材料组成，类似于典型的平面电池。对于 FZBs 的阴极，主要使用采用插入、转化、配位和催化机制的材料，包括锰、钒、镍、钴、聚苯胺和贵金属催化剂。阳极主要由锌线、锌弹簧、锌箔、锌粉和锌纳米片组成。主要类型的电解质分为液态电解质、水凝胶电解质和离子凝胶电解质。隔膜的功能是在促进离子迁移的同时避免短路，有多种材质的隔膜可供选择。值得注意的是，凝胶电解质可以同时用作隔膜和离子导体，从而简化了 FZBs 的结构。关于封装材料，锌离子电池通常采用密封封装方案，而锌空气电池则采用半开封装。集流体则包含了金属集流体、碳基集流体、聚合物级集流体，它们各有优劣，而复合集流体是取长补短，发挥综合性能的趋势。综述的第一部分将重点回顾了 FZBs 中使用的阴极、阳极和电解质，并概述适用于这些系统的集流体和封装材料。此外，对纤维电极的配置结构（平行式、缠绕式和同轴式）在电化学性能、制造可扩展性、柔韧性等方面进行了对比，并介绍了近年来基于上述结构的衍生结构。

图2 纤维状锌电池的可用正极；（A）FZBs四种储能机制的示意图，（B）具有四种储能机制的代表性阴极的比容量与平均工作电压，（C）基于四种储能机制的阴极选择比例（嵌入图：使用最广泛的五种阴极），（D-G）四种储能机制阴极的多维度对比分析

（二）制造

纤维状锌电池的制造主要包括两个方面：一是纤维电极的制备，二是纤维电极的组装。构建纤维形状的电极需在微观尺度上实现活性材料的稳定均匀分布，同时保持结构完整性、力学强度和柔性。目前的方法主要采用两种不同的策略：第一种方法涉及通过常规技术 (包括浸渍、水热合成和电化学沉积) 将活性材料沉积在导电纤维基底上。第二种方法利用含有分散活性材料的前驱体溶液，随后通过基于挤出的制备方法 (如湿法纺丝和 3D 打印)进行固化以形成连续的纤维电极。在纤维状电极制造完成后，需将其整合到最终电池结构中。早期研究主要采用人工组装法，这种方法因效率低下且电池长度受限（通常不超过15厘米）而备受诟病。后续研究采用机械辅助组装工艺，不仅实现了米级柔性锌基电池的快速制备，还因持续张力作用可生产更纤细的电池。近期，科研团队成功研发出集成电极制造与电池组装的规模化生产线。综述的第二部分将总结概述目前纤维电极的制备工艺、后处理手段（化学处理和物理处理）以及三种主要的电极组装方法：人工组装、设备辅助组装和集成自动化组装。

图3 纤维状锌电池的组装方法；（A-B）手动组装，（C-D）设备辅助组装，（E-H）集成自动化组装

（三）优化

作为一项应用驱动型器件研究，纤维状锌电池主要致力于满足稳定且持续的储能与供电需求。然而，从结构和材料层面来看，目前纤维状锌电池在电化学性能方面仍存在极大提升空间。材料层面的问题源于锌离子电池系统固有的局限性，这种局限性在软包电池、纽扣电池等多种电池配置中普遍存在。此外，一维结构设计中的衍生问题带来了结构性挑战：在超细纤维上构建电池组件时，既要保持足够的机械强度和柔韧性，又常会加剧原有寄生反应或引发新的有害现象。综述的第三部分将系统阐述这些双维度挑战，并且回顾当前通过先进材料工程和结构优化策略解决这些关键问题的改进方案。

图4 影响纤维状锌电池电化学性能的两大问题及对应的策略

（四）应用

纤维状锌电池（FZBs）的核心应用是作为储能器件，通过释放能量为电子设备供电。其卓越的柔韧性和可穿戴特性，使得这类电池能灵活组合成具有独特结构的放电模块。放电后的充电方式同样需要重点考量。除了常规充电方案，柔性锌基电池还可通过加装太阳能电池进行改造，实现太阳能、化学能与电能三位一体的集成化能源收集与存储系统。此外，FZBs不仅具备储能能力，还整合了环境灵活性，以响应外部刺激。在热敏、荧光、汗驱动、焦耳加热和湿度敏感技术领域，已经投入了大量努力来实现多功能设计。与传感器集成实现环境监测、生理检测等功能，是FZBs的另一先进的应用领域。FZBs的高柔性使其能完美贴合人体曲线。目前在联合传感应用领域，研究人员主要采用温度传感器、压力传感器和气体传感器等主动式传感器，其功能主要集中在两大方面：首先是反映人体生理指标的变化，包括心率、体温、呼吸频率、步态等。其次，对外部环境变化的感知，包括气体检测、温度评估、湿度评估和物体定位。综述的第四部分将全面总结FZBs在储能/供能，多功能设计、传感领域的应用范例。

图5 纤维状锌电池的传感器功能；（A）生理识别：（i）手势识别，（ii）语音识别，（iii）表情识别，（iv）姿态识别。（B）环境检测：（i）气体检测，（ii）障碍物检测，（iii）轨迹检测。（C）感知集成系统

（五）总结与展望

据报道，全球可穿戴设备市场持续普及，各行业收入增长稳定。特别是在军事和国防部门，复合年增长率 (CAGR) 已达 50.7%。根据预测，2024 年全球可穿戴技术市场规模估计为 842 亿美元，预计到 2030 年将达到 1861.4 亿美元，从 2025 年到 2030 年增长率为 13.6%。纤维状锌电池具有高安全性 (水/凝胶电解质，无爆炸或火灾风险)、低成本 (锌储量丰富，原材料成本仅为锂离子电池的五分之一到三分之一) 和灵活适应性 (可弯曲、可折叠、可伸缩), 在可穿戴电子、医疗健康监测和物联网传感器领域显示出显著的商业化潜力。锌离子电池已被多个国家认定为绿色能源发展的关键方向，并获得了强有力的政策支持。随着关键瓶颈的突破，以及 FZBs 逐渐走向试点和商业化，预计很快就能实现大规模量产，扩展到柔性显示器和低速电动汽车等新兴领域。

然而，仍然存在几个挑战：(1) 循环寿命不足：长期循环寿命仍然是一个重要问题，这归因于材料的内在问题和衍生的结构问题；(2) 能量密度低：FZB s保持着较低的能量密度，这可以归因于工作电压较低、无效材料负载高和实际放电容量受限；(3) 实际可穿戴性问题：在热稳定性、自愈合性能和实际应用灵活性方面需要进一步加强；(4) 毒性和生物相容性：FZB 中使用的一些材料具有毒性，限制了其在生物医学应用中的潜力；(5) 复杂的制造工艺：由于隔膜和集流体的设置难度高，制造工艺仍然具有挑战性，导致生产效率低和持续集成挑战；(6) 电化学机理不足：由于测试技术在曲面上的局限性以及现阶段对于制作工艺的侧重，对 FZBs 内部电化学机理的理解不够深入；(7) 缺乏标准化：尚未建立表示 FZBs 性能参数的标准和规范，导致基于不同基准的不公平比较；(8) 应用范围窄：除了能量储存和传感外，实现具有特定功能 (如光学检测、电致变色) 的 FZBs 仍然具有挑战性。因此，后续的研究需要根据目前的挑战，进行材料优化、结构设计、机理研究等努力，以期实现FZBs的实用化。