研究背景 在过去十年中，柔性电子学这一跨学科领域突破了刚性的限制，蓬勃发展起来。可以预见，这一领域将在人类生活的各个方面得到广泛应用，包括用于监测人类行为模式的可穿戴传感器、用于便携式外骨骼的柔性微型移动电源、用于微创手术或病理诊断医疗成像的植入式电子设备等。例如，柔性传感器和显示技术的融合可促进先进智能家居和智能城市计划的发展。利用柔性传感器和物联网设备的功能，机器人可以在灾难响应和农业监控中发挥关键作用，同时还能监控道路交通状况。这些应用要求设备具有高柔性、舒适性、耐磨性以及与基底的粘附性。因此，对可为便携式柔性电子设备供电的柔性储能设备(FESD)的需求日益增长。这种需求促使研究人员专注于开发轻质、柔性和高度稳定的储能设备。 传统的储能设备都是在刚性模具中组装的，这严重限制了设备设计的多样性和消费者的便利性。相比之下，FESD的开发重点在于材料和结构特性，从而使设备既具有机械灵活性又具有稳定的高性能。具体来说，在多次不规则弯曲过程中保持机械稳定性和电化学稳定性是一项紧迫的挑战。 在 FESD的实际应用中安全性是一个关键的考虑因素。液态电解质在设备变形时很容易泄漏，而固态电解质和水凝胶电解质 (如壳聚糖、纤维素和藻酸盐水凝胶等)则不同、这些独特的特性使它们在生物相容性和自我修复方面具有优势，因此适合应用于植入式医疗设备和柔性传感器。 纤维状电化学储能装置的独特性受制于不同的方面，包括灵活度、制备技术和测量参数。虽然纤维状结构的 FESDS 具有能量密度低、封装困难和安全性低等局限性，但它们为金属离子电池和超级电容器等存储设备提供了无与伦比的灵活性，可与各种微型便携设备集成，并在用作可穿戴设备时展现出无限的可能性。传统的层叠式设备在弯曲和变形时往往会出现电极材料和集电极分离的问题，从而导致电化学性能受损、短路和严重的安全隐患。一旦解决了安全问题，重点就转移到提高活性比表面积和导电性上。增加活性材料的负载量，也就是增加电极厚度，是实现更好电化学性能的最有效方法之一。近年来，增材制造技术的发展使得利用3D打印技术制造三维厚电极成为可能，从而提高了储能设备的面积电容，同时确保电极中的离子扩散受电极厚度增加的影响最小。 研究成果柔性电子领域是技术进步的重要推动力，与人类生活息息相关，在可穿戴设备和医疗保健等多个领域发挥着独特的作用。因此，人们对柔性储能设备 (FESD)有着迫切的需求，以满足各种形式的柔性产品的储能需求。根据空间维度，柔性储能器件可分为三类，它们都具有优异的电化学性能、可靠的安全性和超强的灵活性。本综述介绍了 FESD的应用场景，并首先总结了应用于不同领域的主要代表性器件。具体而言，本综述从结构和材料两方面重点介绍了三种类型的 FESDs 在相应应用场景中的应用。最后，介绍了阻碍 FESD 实际应用的挑战以及我们对当前障碍的看法。相关报道以“Flexible Energy Storage Devices to Power the Future”为题发表在Advanced Materials期刊上。西北工业大学官操 & 徐茜教授为通讯作者。 图文导读 Figure 1. Illustration of FESDs powering the future.Figure 2. The application of flexible electronics in various fields.Figure 3. Illustration of different dimensional configurations of FESDs.Figure 4. Synthesis and performance diagram of parallel fiber type energy storage devices.Figure 5. Synthesis and performance diagram of twisted fiber-type energy storage devices.Figure 6. Synthesis and performance diagram of coaxial fiber type energy storage devices.Figure 7. Flexible evaluation criteria for thin-film FESDs.Figure 8. Configuration and applications of thin-film FESDs.Figure 9. Special configuration of thin-film FESDs.Figure 10. Properties of three-dimensional graphene prepared by CVD and LIG methods and their applications.Figure 11. Three-dimensional electrodes with different structures and their electrochemical performance.Figure 12. Three-dimensional electrodes of different structures， their properties and applications.Figure 13. Radar charts grading the parameters of different dimensional FESDs performance. 总结与展望本文概述了三种可流动电极柔性态器件的最新进展，并讨论了它们的性能评价标准。尽管FESD技术取得了显著的进步，但在提高储能设备的各个维度的能量密度和灵活性方面仍然存在重大挑战。解决这些挑战对于FESD技术的持续进步和改进至关重要。 不同尺寸的 FESD具有不同的特性可满足各种应用场景的需求。光纤型 FESD制作简单具有良好的灵活性，但效率较低，在长时间变形条件下保持安全性方面面临挑战。薄膜 FESD可通过采用柔性基底或优化结构设计来提高器件的灵活性和稳定性。然而，这些器件的安全性仍然会因变形过程中的应力集中而降低。与前两者相比，三维 FESD的灵活性略有降低不过，垂直维度的增强大大改善了电化学性能。此外，三维结构允许更多样化的设计选择例如多孔结构。 纤维型 FESD因其纤维结构而显示出有限的活性材料负载导致总能量密度相对较低。这使其难以满足柔性和可拉伸电子器件的高能量要求。此外，它主要利用纳米线和导电聚合物纤维作为原材料，制备方法简单而常见。通过拉伸涂层或挤出印刷等方法，可以轻松获得所需的器件。此外，这些材料还具有固有的柔韧性，能够满足类似织物的柔性形式的应用要求如前所述，电解质的使用和包装质量对纤维型 FESD的安全性有很大影响。虽然它适用于可穿戴设备和编织设备，但确保在各种复杂变形过程中的安全性和稳定性是一个亟待解决的关键问题。目前，纤维型 FESD只能作为编织设备的一个组件，由于缺乏全方位的灵活性和大规模的可制造性，限制了其充分利用的潜力。未来，电纺丝技术有可能提供一种可行的解决方案，因为它可以快速制备“羊毛"，并将其编织在一起，为各种应用制造传感“手套”。此外，与虚拟现实技术相结合可进一步增强潜在应用，为新一代柔性电子创新铺平道路。 目前，薄膜 FESD和三维储能装置因其能够实现高能量密度而成为纤维型 FESD的首选替代品。使用电刷法制备的叠层储能装置需要仔细考虑每一层的粘合能力，以避免变形过程中的安全问题。相反，在同一平面上的数字间储能装置则不需要考虑这一问题。调整数字间薄膜储能装置的电极间距可以降低界面传递电阻，提高效率和循环稳定性。为了保持薄膜FESD的高能量密度和安全性，必须加强层间结合并使用高活性物质负载能力的电极材料同时，使用具有柔性和高机械强度等结构设计的凝胶电解质(如水凝胶)的层式 FESD以防止高温爆炸等安全问题。薄膜 FESD在微型植入式医疗设备和大面积柔性显示器等应用领域大有可为。 三维储能设备中基底材料的高比表面积可实现电化学活性材料的高负载率，从而产生高能量/功率密度，以满足微型和便携式传感器等应用的要求。厚电极“设计与 3D 打印技术相结合，可在增加电极厚度的同时确保高性能。尽管在灵活性和耐磨性方面具有优势，但研究人员应从结构和材料的角度探索更多提高灵活性的方法。利用原位制造技术可以降低界面传输阻力，提高设备性能。然而，复杂的制备技术会给实现大规模生产带来挑战，从而导致生产成本上升。 FESD的未来发展方向在于同时实现高灵活性、高效率、稳定性和安全性。此外，在应用需求和制造技术不断创新的推动下，这些设备有望与各种应用技术相结合，从而实现在各个领域的广泛应用。这种综合方法旨在利用 FESD 进一步改变人类生活，不仅推动地面技术进步，而且支持航空航天工业的太空探索，最终使人类能够大胆地进入宇宙领域。 文献链接Flexible Energy Storage Devices to Power the Futurehttps://doi.org/10.1002/adma.202306090推荐阅读 综述：用于可穿戴电子设备应用的透明电子器件 综述：柔性可穿戴超级电容器的最新进展——特性、制造和应用 信号干扰小的柔性光电多模态接近/压力/温度传感器 可拆卸的汗液贴片——无创生物化学和生物物理传感 MoS2与柔性电子器件的又一Nature子刊新作 视频号：#柔性电子那些事
