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  隨著可穿戴電子產品市場的不斷擴展，柔性和可穿戴式儲能器件越來越受到人們的廣泛關注。其中，纖維狀電池由于其獨特的一維結構而表現出優異的柔軟性、可延展性、便攜性和變形適應性的特點，非常適合與傳統紡織工業相結合而應用于可穿戴電子供能領域。近年來，在纖維狀電池領域的研究前沿中，除了實現更高的電化學性能外，多功能化、可擴展化和集成化系統的開發也是重要的研究課題。然而，纖維狀電池的發展仍然存在著許多困難，其中包括封裝困難，電池內阻高，耐性差等問題。本文首先簡要闡述了纖維狀電池的設計原理（如電極制備和電池組裝）及其性能表征（如電化學和機械性能），并分類介紹纖維狀鋰基電池、鈉離子電池，鋅基電池和其他新型電池系統。此外，重點介紹了具有環境適應性、刺激響應性和可紡織等特殊功能的多功能化器件，以期對未來的研究方向有所啟發。最后，還討論了實現這些纖維狀電池在現實可穿戴應用中所面臨的技術難題，旨在為進一步發展提供有效的改進方案。

  近日，香港城市大學支春義教授課題組總結了纖維狀電池的研究進展，首先介紹了纖維狀電池的設計原理，包括電極、電解質、器件構型和相應的制備方法。然后詳細討論不同纖維狀電池系統的材料制備、電池組裝、電化學性能和柔性評價等方面的前沿研究，并簡要介紹了各個階段的關鍵性成果。此外，作者還重點介紹了多功能性、可擴展性以及與其他儲能/轉換系統的集成化方面的具有前瞻性的研究成果。最后深入地討論了纖維狀電池在未來可穿戴應用中面臨的主要技術難點，并為其改進和發展提出了可能的解決方案與策略。論文的第一作者為博士研究生莫富年和梁國進，通訊作者為支春義教授。

  該綜述文章對纖維狀電池材料進行了詳細的介紹和分類。常見的纖維狀集流體為金屬紗線、碳納米管纖維、石墨烯纖維等。電解質也是纖維狀電池的另一個重要組成部分，因為它們與電化學穩定電位窗口以及發生電化學反應時的離子傳輸相關。目前，常用的電解質一般分為兩類：水系電解質和有機電解質。從形態上來看，電解質還可以分為三類：液體、凝膠和固態電解質，其中凝膠電解質因其良好的柔韌性和穩定性，特別適合應用于纖維狀電池。纖維狀器件一般分為平行、扭曲和同軸結構三種構型。

  自開發以來，纖維狀的非質子鋰基電池由于其重量輕、輸出電壓高、長期穩定等優點，吸引了大量研究者的興趣。

圖 1. 纖維狀鋰離子電池示意圖。

  近年來，由于鈉元素豐富的資源和易獲得性，鈉基電池作為一種潛在的鋰離子電池替代能源受到了廣泛的關注。鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的插層/脫層機制，可以通過使用類似的策略和技術來制備。

圖 2. 纖維狀鈉離子電池。

  除了更高的電化學性能外，多功能化、集成化和可擴展性等方面的研究進展也是近年來纖維狀電池研究領域的主要課題。在多功能化方面，纖維狀電池器件能夠結合其他特定功能，如在防水/防火能力方面的環境適應性，以及對外部刺激的響應性（如自愈合和形狀記憶）。為了穩定、高效地實現功能化和良好的電化學性能，需要對功能性材料、電池結構和制造工藝進行了精確的設計。

圖 3. 自愈合與形狀記憶纖維狀電池

  最近，許多研究者致力于將纖維狀電池與超級電容器或能量轉換裝置等系統相結合，實現集成化系統，使得一個綜合器件能同時實現高能量和功率密度或通過收集轉換環境能源的自供電功能。然而，構建這樣一個一體化器件是非常復雜的，需要研究者深入了解不同領域的科學和技術相互交叉的工作機制，還需要對于器件組裝、組件兼容性和能源管理的精心設計。

圖 4. 纖維狀器件的集成化系統。

  考慮到其可擴展性，柔性和可穿戴的儲能紡織品代表了纖維狀電池發展的一個有前景的未來發展趨勢，但這種發展必然需要更嚴格的標準和復雜的制造工藝。到目前為止，已經發展了兩種制備儲能紡織織物的常用方法：（i）將一些纖維狀電池縫合在一塊現有的織物上；（ii）用纖維狀電池當作縫紉線制作比較松散的梭織/針織儲能織物。

圖 5. 可縫在現有織物上的纖維狀電池。

  梭織/針織幾塊纖維狀電池，形成一塊有點松散地能源紡織品，也是目前技術水平實現大規模應用的另一種可行策略。開發非常纖細的紗線電池使其呈現柔軟的質地，讓穿著的人獲得舒適的同時還能提供優異的電池性能也是目前纖維狀電池研發的重要目標之一。

圖 6. 梭織/針織織物電池

  在可穿戴方面，纖維狀電池往往產生以下技術難點：1. 高內阻。纖維狀電池的細長結構往往導致其具有非常高的內阻，2. 制備困難。在制造過程中，采用長而薄的電極就必須非常小心地避免短路發生。3. 隔膜設置困難。在兩個細長電極之間設置隔膜要比在兩個平面結構電極之間設置困難很多。4. 封裝困難。目前的大多數報道的纖維狀電池都沒有深入探討封裝的問題。5.直徑太大。電池是一種帶有電解質、分離器和兩個電極的電化學裝置，因此目前的纖維形狀的電池通常比普通的紗線厚得多。6.機械性能不足以進行機器紡織。纖維狀電池的拉伸強度和表面摩擦力與傳統紗線有很大的不同。7.難以實現的紗線質地。目前報道的大多數的纖維狀電池都僅有塑料線的質地，而不是柔軟的紗線質感。

  綜上所述，纖維形狀電池領域在近幾年來發展迅速，取得了巨大的成就，在實際的可穿戴應用中顯示出巨大的前景。因此，本文綜述從電極制備、新穎的結構設計、電化學性能和柔性評價等方面綜述了至今為止纖維狀電池系統所取得的關鍵性進展。研究者們將繼續致力于追求更高的電化學性能，探索新材料、有效的制備策略和降低其生產成本。此外，從普通纖維狀電池到實現具有高性能、生物相容性和穿著舒適性儲能紡織品的大規模生產化，對可穿戴應用具有重大意義。另外，纖維狀電池與其他系統（如光電轉換系統、納米發電機和醫療傳感器等）的集成化，可以為消費者帶來更高的應用價值，并可能在未來的研究領域帶來技術性革命。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902151