5G和物聯(lián)網的出現催生了人們對可穿戴電子設備的需求。然而，目前缺乏合適的柔性儲能系統(tǒng)已成為可穿戴電子設備的“致命弱點”。在電池結構從傳統(tǒng)到柔性的轉變過程中，相應產生的附加問題對電池設計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

在此，清華大學周光敏團隊對用于可穿戴電子設備的柔性鋅基電池合理設計進行了綜述研究。本綜述全面回顧了目前開發(fā)柔性鋅基電池的進展，包括其電解質、陰極和陽極，并從其合成、表征和性能驗證方面進行了討論。

通過闡明柔性鋅基電池設計中的挑戰(zhàn)，作者總結了以往研究的方法，并提出了未來發(fā)展的挑戰(zhàn)。最后，總結了鋅基電池的研究范式，以適應在迭代過程中不斷增長的可穿戴電子設備的需求將有助于鋅基電池未來的發(fā)展。

圖1. ZIBs和ZABs的機理示意圖

鋅基電池除高比容量、低成本的正極材料和高安全性等優(yōu)勢外，鋅基電池還顯示了用于可穿戴設備的高適應性。為了清楚地說明問題，本文提供了一個與可穿戴電子設備發(fā)展相對應的鋅基電池的指南主要分為三個主要階段：

第一階段：實際操作的評估

為了滿足自由穿戴和便攜利用的需求，鋅基能源必須具有在復雜環(huán)境中穩(wěn)定運行的能力。因此，提高柔性電池的力學性能是迫切需要的，這表明凝膠電解質改性和一體化制造方法具有廣闊的發(fā)展前景。同時，在超高溫或超低溫下工作的能力是未來鋅基電池的另一個優(yōu)勢，這正在成為當前研究的熱點問題。

第二階段：多功能可穿戴設備合作

除了面向功能的可穿戴傳感器，在物聯(lián)網和5G技術的時代，越來越多的研究人員青睞提供更多交互使用體驗的多功能可穿戴電子系統(tǒng)。對于雙功能系統(tǒng)，除了電池本身的性能，還需要考慮更多的因素，包括可穿戴設備的適應性和與其他部分的配合。

第三階段：小型化設備中的新電池設計

隨著下一代可穿戴電子產品呈現出明顯的小型化和集成化趨勢，一些研究人員提出了一種微型可穿戴或可植入電子產品的無電池設計，以滿足其電源需求。除了傳統(tǒng)的小而輕的電池，這些小型化電子產品使用無線電源。

基于上述挑戰(zhàn)，作者根據可穿戴設備在不同維度的需求，從實驗和理論兩個角度對鋅基柔性電池的發(fā)展提出了展望。

對于電池研究者，作者提出了一些具體的建議：① 面向商業(yè)化的柔性鋅基電池體系亟待評價；② 柔性鋅基電池電化學窗口的擴大；③ 人工智能輔助電池機理探索；④ 利用生物材料實現環(huán)保生產和綠色化學；⑤ 下一代電池封裝技術揭示了柔性能源的無限潛力。

圖2. 可穿戴設備和柔性鋅基電池的發(fā)展趨勢

Rational Design of Flexible Zn-Based Batteries for Wearable Electronic Devices, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.2c09509