从固到液的转变：氧化还原活性电流体助力可拉伸电池的突破性发展

《SCIENCE ADVANCES》：Make it flow from solid to liquid: Redox-active electrofluids for intrinsically stretchable batteries

为解决现有可拉伸电池设计中增加活性材料导致电极变厚变硬、机械性能变差的问题，研究人员开展了将电池电极物理性质从固体转变为流体状态的研究。结果表明该设计能实现高容量且不影响机械性能，为可拉伸电池发展提供新方向。

　　### 研究背景
在可穿戴设备飞速发展的当下，下一代可穿戴设备不再局限于常见的耳机、智能手表等，而是向着与人体更紧密结合的方向发展，如电子皮肤贴片、体内植入物、电子纺织品等。这些设备要求具备出色的机械顺应性，不仅要柔软、可拉伸，还要能在各种复杂的人体活动中保持稳定运行。然而，当前为这些设备供电的电池却成为了发展的瓶颈。传统刚性和笨重的电池，不仅限制了可穿戴设备的外形设计，还无法满足其对机械顺应性的需求。

现有的可拉伸电池设计在提高容量方面面临困境。在传统设计中，增加活性材料虽然能提升电池容量，但会使电极变得更厚、更硬，机械性能严重下降。这是因为传统电极依赖于氧化还原活性物质和导电填料之间的固体 - 固体接触，通过粘合剂来维持机械完整性。但这种设计存在诸多问题，比如机械应力可能导致组件间接触不良，影响电池性能；增加活性材料会使电极层变厚，在弯曲时承受更大应变，降低机械顺应性，同时还会增加电阻，阻碍离子传输，降低有效体积容量。

为了突破这些限制，研究人员致力于寻找新的解决方案，旨在开发出一种既能保证高容量，又能具备良好机械性能的可拉伸电池，这对于推动可穿戴设备在医疗保健、环境监测、通信娱乐等领域的广泛应用至关重要。

研究团队与研究内容

来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于可拉伸电池的创新性研究。他们提出了一种全新的概念，即将电池电极的物理性质从传统的固体状态转变为流体状态，以此来设计可拉伸电池。该研究使用了氧化还原活性电流体作为电极材料，并搭配定制设计的可拉伸集流体和隔膜，构建了完整的可拉伸电池。

主要技术方法

研究人员采用多种关键技术开展研究。在材料制备方面，通过特定的合成方法制备了氧化还原活性聚合物，如改性木质素（L）和聚（1 - 氨基 - 5 - 氯蒽醌）（PACA），并将其与导电聚合物聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）（PEDOT）复合。在电极流体的制备中，将这些复合聚合物与导电碳填料分散在电解质介质中形成具有合适流动性和导电性的流体。在电池组件的制备上，运用过滤转移、溶液混合和相分离等技术分别制备可拉伸集流体和多孔隔膜。此外，通过多种电化学测试技术，如循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）测试和电化学阻抗谱（EIS）等，对电池的电化学性能进行表征；利用力学测试设备对电池的机械性能进行评估。

研究结果

1. 氧化还原活性电流体的表征：研究人员选用改性木质素作为阴极活性材料，聚（1 - 氨基 - 5 - 氯蒽醌）作为阳极活性材料，与导电聚合物 PEDOT 复合后，分别制备了 PEDOT - 木质素（PL）和 PEDOT - PACA（PP）流体。通过添加导电碳填料，显著提高了流体的导电性，且优化后的流体呈现出非牛顿流体的剪切变稀行为。电化学测试表明，随着施加应变的增加，PL 和 PP 的电导率均有所增加，且应变释放后能部分恢复。半电池的 GCD 测试显示，PL 和 PP 的体积容量随施加电流的减小而增加，其能量存储过程归因于 PEDOT 和碳填料的电容贡献，以及聚合物中醌单元的法拉第质子 - 电子电荷转移反应。
2. 可拉伸集流体和封装：设计的可拉伸集流体采用双层结构，底层为优化厚度的银纳米线（AgNW），顶层为纳米石墨（NG）与苯乙烯 - 乙烯 - 丁烯 - 苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）的复合缓冲层。这种结构不仅降低了集流体的面电阻，还提高了其在拉伸状态下的稳定性和电化学性能。实验结果显示，在不同应变下，集流体的电阻变化稳定，且能有效保护 AgNW 层免受腐蚀。同时，SEBS 封装层具有低渗透性，能有效防止电解液和电极流体的泄漏和干燥。
3. 可拉伸多孔隔膜：采用溶剂蒸发诱导相分离法制备的聚苯乙烯 - 异丁烯 - 苯乙烯（SIBS）隔膜具有分层多孔结构。随着隔膜拉伸，孔隙变大，离子电导率从 0.071 mS/m 增加到 0.15 mS/m。在应变状态下，隔膜对活性材料的交叉渗透具有良好的抑制作用，即使在 100% 应变下，活性材料的渗透浓度也仅略有增加。
4. 可拉伸全电池的表征：组装的全电池在不同扫描速率下的 CV 曲线呈现出与质子 - 电子电荷转移机制和电容贡献相关的氧化还原峰。电池在不同电流密度下表现出良好的倍率性能，在 1.9 mA/cm2 的电流密度下，经过 500 次循环后容量保持率为 85.2%。在机械性能方面，电池在拉伸过程中容量有所增加，释放应变后能恢复接近初始容量。经过 300 次 30% 应变的循环拉伸后，电池仍保持 70% 的容量，且内部电阻仅有轻微增加，表明电池的封装和各层之间的粘附性良好，能有效防止泄漏。

研究结论与讨论

本研究成功开发了一种基于氧化还原活性电流体的可拉伸电池设计概念。通过调整流体的粘度而非固体的杨氏模量来设计电极，实现了电池容量和活性材料负载与电池机械顺应性（轴向刚度）的解耦。这种设计使得电池在高应变下仍能保持出色的导电性和可逆性，定制的集流体和隔膜确保了电池的整体机械稳健性。全电池展现出良好的倍率性能和循环稳定性，在 500 次充放电循环后容量保持率较高。此外，电池采用的可持续共轭聚合物氧化还原对，相较于传统的金属基活性材料，具有更好的环境友好性。

然而，研究也存在一些需要改进的地方。例如，当前使用的酸性电解液在用于可穿戴设备时存在安全隐患，未来应考虑使用更安全的 pH 中性且生物相容性好的电解液。同时，尽管电池容量随流体电极体积增加而增加，但倍数较低，后续可通过优化粒子浓度和混合方式等方法来提高倍率性能，进一步提升电池的能量和功率密度。总体而言，该研究为可持续可拉伸电池的设计开辟了新途径，有望推动可穿戴设备领域的重大发展。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为相关领域的研究提供了重要的参考和借鉴。