近年来，智能可穿戴设备由于其特有的便携性、实用性逐渐引起人们的关注，可拉伸晶体管、可拉伸传感器、人工器官、电子皮肤等柔性设备均得以迅速发展。
这些电子器件大多采用超级电容器或电池对其进行供能，与人体紧密贴合的电子设备往往需具备一定的柔性和形变能力，然而传统的储能设备受其材料及制备工艺的限制大多表现出较强的刚性，难以满足新一代柔性穿戴设备的需求。
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因此许多研究致力于开发新型柔性可拉伸储能设备，以实现在拉伸过程中持续稳定的供能。电池虽然功率密度低于超级电容器，但其更高的能量密度以及更长的使用寿命使其在柔性电子领域具备一定优势。
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传统商用电池的集流体、电极、隔膜/电解质和封装材料等部件并不具备承受应变的能力，很难用于可穿戴设备。为满足可穿戴设备对储能设备提出的新要求，急需开发具备拉伸性及良好电化学性能的可拉伸电池。
目前柔性可拉伸电池主要有3个亟待解决的问题：
（1）可拉伸电极、电解质的制备及电池结构设计；
（2）电池处于应变下的电化学性能及拉伸循环过程中的稳定性；
（3）兼具拉伸性及密封性的封装材料。本文从电池的各个组成部件出发，将可拉伸电池分为设备可拉（一维结构、二维结构、三维结构）和部件可拉两个层面（图1），列举了实现电池拉伸性的不同方法及其典型实例，评价了不同策略的优缺点，并对柔性可拉伸电池当前发展所面临的问题及今后的发展方向进行了概述。
1可拉伸电池的设计
柔性可拉伸电池能否在合理的应变范围内保持良好的电化学稳定性是评价其性能的首要标准。对于电子皮肤这类与人体紧密贴合的设备而言，其所能承受的应变应不低于30%，同时设备整体模量不能过高（<1MPa）；
而对于如人造器官等植入人体的电子设备，其最大应变应高于100%同时具备更低的模量。电池整体的力学性能如弹性模量、屈服强度等在很大程度上影响着电池的容量。
因此要实现从传统的刚性电池到柔性可拉伸电池的转变，需要电池内部各部件在保持原有的电化学性能的同时具备一定的强度及应变能力，这就意味着要对以下材料进行开发研究：
（1）兼具高电化学稳定性及高导电性的可拉伸集流体；
（2）室温下具备高离子电导率的可拉伸电解质；
（3）应变状态下具备良好隔水隔氧性的封装材料。
可拉伸电池要考虑的另一重要参数就是其能量密度和功率密度，这与电极的活性物质负载量和电解质的离子电导率紧密相关。
大部分电极制备是将活性物质浆料涂覆于集流体之上，对可拉伸电池而言刚性的电极层与柔性的可拉伸集流体之间的模量差异必然会导致需要在电极厚度上进行取舍，在能量密度和拉伸性上寻求平衡。
此外，目前使用的液态电解质在拉伸过程所产生的腐蚀及泄露等一系列问题降低了设备的安全性，因此并不适合应用于智能穿戴设备。陶瓷基电解质虽具备较高的离子传导能力，但刚性较强难以适应形变。
聚合物电解质可以通过向链间引入各类分子间相互作用改善其力学性能，但室温下较低的离子电导率及电极/电解质之间的高界面阻抗会限制电荷转移从而影响电池的循环稳定性及倍率性能。
理想情况下，可拉伸电池的电解质应为固态，可以含有少量增塑剂，使其在保证力学强度及拉伸性的同时有足够的离子电导率。
目前柔性可拉伸电池的设计策略主要有以下两类：
（1）在设备层面对电池进行整体结构设计使其具备独特的系统结构从而具备形变能力；
（2）在部件层面使用新型可拉伸材料及组装工艺，使电池内各部件均具备拉伸性。
1.1设备结构设计
制备可拉伸电池的一个主要策略是改变电池的整体结构使其可以通过在宏观上的形状变化来适应形变从而避免电池内部的刚性部件直接承受应力，这种策略使传统电池材料在满足特定结构的条件下也可以具备拉伸性。
可拉伸电池的整体结构可分为一维柱状结构，二维平面结构和三维立体结构，本节将分别展示各种结构的实例并对其优缺点进行讨论。
1.1.1一维结构
一维结构是指由纤维电极和凝胶电解质组成的柱状电池，电池内部电极平行排列，凝胶电解质防止正负极接触并提供离子通路，这种结构最显著优势为尺寸小及具备可编织性。
纤维电极作为构建一维可拉伸电池的关键部件，它需要在保证高导电性和良好的力学性能的同时兼具柔性，而金属材料大多数是刚性的，柔性轻质的聚合物纤维往往导电性不足，相比之下，碳基纤维由于其低密度、高强度和高导电性的特点而被选用作为纤维电极基体材料。
当前，石墨烯、碳纳米管（CNT）等碳基材料已广泛应用于储能设备中，CNT因其较大的纵横比致使构建的导电网络在大应变下仍能保持良好的导电率，从而吸引了大量相关研究。
纤维电池因其特有的编织性，已被证实可以应用于如LED腕带、智能衣物、充电头带等多种柔性设备，但较小的纤维直径必然会导致活性物质负载量较低从而很难实现整体的高能量密度。
同时，纤维电极的电导率仍显不足，长度增大后电阻阻值的增大会显著影响电性能。因此，在纤维电池后续研究中，仍需研发除碳基材料以外的纤维电极，以实现大长度的高性能纤维电池的制备。
1.1.2二维结构
电池各组件通过堆叠层压而形成的二维结构可拉伸电池，相较于一维柱状结构，其可以通过增加活性物质负载量和增大电极尺寸来提高电池的输出能力，制备工艺也相对简单。二维结构的可拉伸电池分为波浪结构和图案化设计两类。
1.1.3三维结构
相异于二维堆叠结构，电池可以通过进行平面折叠来适应形变。在这种情况下，电池的各部件必须是柔性的，保证每个部分能够折叠和展开。一个经典实例是由Jiang等[47]展示的折纸电池。
在这项工作中，通过将常规电极浆料涂覆于柔性CNT涂层集流体上来制造折纸电池（图5(a)）。封装后，通过周期性的折叠实现电池的拉伸性。该装置能沿预定方向达到1300%的应变。
总体来说，三维立体结构相较于平面结构，可以承受的最大应变显著提高，但应变能力及形变方向受折叠工艺的限制，形变时宏观高度上的变化使其并不适用于如电子皮肤这类需要和人体紧密接触的电子设备。
通过折叠、剪裁制备的可拉伸电池在循环拉伸过程中折痕处和接头处在折叠-展开过程中势必会承受较大的集中应力，从而对电池的稳定性产生影响。复杂的加工制备工艺成本较高，也使其很难大规模制备。
1.2电池部件设计
设备层面上的可拉伸电池虽然可以使用传统电极材料，但特殊的结构必然需要复杂的加工制备工艺与之匹配，电池整体的能量密度难以提高，形变过程中尺寸的变化及方向的确定性也限制了其应用场景。
理想情况下，可拉伸电池应该是电池内各部件本身都具备拉伸性，以保证电池形变发生在平面内，同时使用类似于层压工艺的组装方法，确保电池内部具有良好的界面，以实现大体积高能量密度的可拉伸电池制备。
1.2.1集流体
对传统锂离子电池而言，电极是将正/负极浆料涂覆于铝箔/铜箔之上，但金属集流体因其固有特性很难承受形变（<2%）并不能满足可拉伸储能设备的需求，开发具备拉伸性的集流体就显得尤为关键。
可拉伸集流体在满足质轻、高导电性、高电化学稳定性的同时还需要保证在拉伸过程及拉伸循环过程中导电性保持稳定。目前设计可拉伸集流体常用的有两种方法：
（1）将导电填料分散于弹性基底中，通过碳材料或金属纳米材料构建导电网络；
（2）将导电材料沉积在弹性体表面，通过对沉积形状的设计或表面微裂纹的控制，保证材料在形变时仍保持导电性。
1.2.2电极
电极是电池内部发生电极反应存储能量的部分，通常由活性物质、导电剂组成并通过聚合物黏合在一起。除前述使用可拉集流体构建可拉伸电极外，还可以通过制备微观多孔结构骨架或复合凝胶电极来实现电极的拉伸性。
1.2.3电解质
目前的商用电池大多采用液态电解质，同时使用隔膜将正负极分隔，严密的封装和设备本身的刚性避免了因液态电解质泄露而导致的安全问题。
但对可拉伸电池而言，虽然使用具备多孔结构的弹性体（如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、PDMS等）替代隔膜是一种可行的方法，但体系内电解液的存在会导致拉伸过程中电解液的泄露及电池短路等一系列问题，考虑到可拉伸储能设备的应用场景，可拉伸隔膜与电解液的使用可能并不是最优的选择。
聚合物电解质因其良好的安全性和较高的离子电导率近年来得以迅速发展，通过向聚合物内引入如氢键、离子作用、共价键等分子间相互作用可以显著改善电解质的拉伸性能.
2现存问题及发展方向
目前已有大量工作对可拉伸电池进行了研究，无论是从设备整体出发还是从电池的组成部件出发，不同策略都存在一些共性问题。
首先，目前得以制备的可拉伸电池的能量密度还达不到传统电池的水平，这与较低的活性物质负载量和所选用活性物质电压较低有关。固态电解质室温下较低的电导率也限制了电池的性能。
对海-岛结构和纤维电池而言，减少非活性物质的占比就可以显著提升电池整体的能量密度。对部件级可拉伸电池而言，虽然提高活性物质的含量可以一定程度上提升能量密度，但电极厚度的增加势必会影响电池的拉伸性，因此需要开发具有更高的电压平台及更高容量的电极活性物质，或改善电极的制备工艺；
KIMM 研究团队开发出的可拉伸电池结构 图源;网络
此外，使用高离子电导率的电解质可以降低电池内阻，减少电池内部的不可逆反应，也可以提高电池容量。
其次拉伸过程中的分层问题也很常见，传统电极浆料形成的电极层与可拉伸集流体之间的模量差异会导致电极在多次拉伸循环后活性物质与集流体间分层。
电极与电解质在电池应变过程中也会产生一定程度的滑移或分离从而使两者间的界面变差。
目前已有研究通过选用弹性黏结剂或改善涂覆工艺在保证负载量的前提下提高电极层与集流体之间的黏附性，在电极层与集流体之间引入相互作用或在集流体上原位生长活性物质也是一种可行的方法；
电极与电解质之间的界面可以通过提高电解质黏附性、在界面处引入分子间相互作用或采用新型组装工艺来改善。可拉伸电池的封装材料及工艺选择尚未受到太多关注。
基于其应用场景，设备的安全性应该是制备过程中要考虑的主要因素，尤其是目前的封装材料在经历多次拉伸后很难保持良好的水氧隔绝性，更应该避免使用液态电解质，过于厚重的封装难以与柔性设备集成，因此应着力开发质轻、隔绝性好、拉伸性好的封装材料，以满足可穿戴设备的应用要求。
最后，大多数研究中只展示了简单的应用，即为LED灯供能，但实际应用中可拉伸电池往往需要与更加复杂的电子设备集成。
目前已开展了许多很有前景的相关工作，如使用Kirigami电池为智能手表供电；将编织后的纤维电池集成到服装及智能头带中，但其更多关注的是电池的柔性，制作成本也相对较高。
即使是性能最高的可拉伸电池仍和传统的刚性电池有差距，因此从结构到材料都需要不断改进革新。在这个过程中还需要同时考虑电池的制备成本及可量产性。
3结论
本文对可拉伸电池的研究现状进行了总结，详细介绍了实现电池拉伸性的不同策略，其中设备层面的可拉伸电池受限于其结构的特殊性，往往需要复杂的加工工艺，形变过程复杂；
通过可拉伸部件制备的柔性可拉伸电池，制备工艺相对简单，应变大多发生在平面内，但电化学性能仍显不足。
两种策略在性能及应用场景方面均存在优势和劣势，但也同时面对着如能量密度、封装工艺、设备集成等一系列共性问题。总的来说，可拉伸电池是新一代柔性电子器件的重要组成部分，如何设计开发新型高性能可拉伸电池仍需不断探索研究。
参考资料：可拉伸储能电池最新研究进展 作者：田云超，王勇，陈绍山，冯弈钰，封伟
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原文始发于微信公众号（艾邦储能与充电）：可拉伸储能电池？最新研究进展如何？