香港城市大学支春义教授Device：多功能的水系锌离子电池 | Cell Press论文速递

柔性锌离子电池

柔性AZBs可适应多种形状，同时采用碳布、聚酯纤维、水凝胶等柔性部件，利用薄而多孔结构分散应力，从而应用于柔性电子、可穿戴设备及智能纺织品。柔性AZBs通常分缆线结构和平面结构：缆线结构拉伸弹性好，适用于可穿戴设备，但能量密度低；平面结构能量密度高但柔性受限，可通过折叠设计改善，还可通过折纸结构提升拉伸性。评估柔性时，通常关注弯曲能力（用弯曲角度、半径、器件长度来量化），还可以夹压来评估柔软度。此外，残余应变会导致永久变形，可用作评估器件拉伸性的指标。使用剪纸技术时需评估切口敏感性和断裂能。总之，研究人员需要一种标准化且通用的评估方法，来推动未来柔性电池的发展。

自修复锌离子电池

自修复型AZBs提升了耐用性和寿命，能为人类提供可靠的储能方案。正极自愈合材料可修复轻微的结构缺陷，聚合物电解质通过动态键、愈合剂或柔性网络实现自我修复。构建自愈合聚合物时可用物理或化学策略，其中，化学方案可将材料中的共价键（二硫键、亚胺键等）通过可逆的化学反应来进行修复，以重现材料的完整性，非共价可逆键主要包括氢键（羧基、羟基、氨基等）、离子键、金属配体键、主客体相互作用，这些相互作用通常具有较低的键能和高度的灵活性，可以在外部刺激下发生可逆的变化。物理方案则是通过范德华相互作用、聚合物链的相互扩散、形状记忆效应和磁吸引力来实现材料自我修复。评估自愈合性能的标准包括愈合效率、愈合速率以及其对损伤尺寸的依赖性。

生物兼容和生物降解的锌离子电池

生物相容性用于保障生物使用安全性，生物可降解性可避免产品对环境造成的长期污染，这就要求电池材料对人体及动物组织无毒且安全，耐受各种环境。生物相容性AZBs在医疗植入物领域应用潜力巨大，目前，主要采用在动物体内进行试验的方法来监测电池的循环和稳定性。动物体内试验的测试内容包括通过动物模型植入电池来评估细胞毒性和组织损伤，进而证明AZBs的生物相容性和生物可降解性。

自充电锌离子电池

自充电电池利用周围环境的化学能、光能和热能充电，用户无需利用充电装置充电。空气充电AZBs利用有机物阴极与氧气之间的电压差实现自充电，并可以通过分子结构的调节来优化充电性能。光充电AZBs改进了电极结构和电荷传输层，虽然目前光转换效率低（0.18%～1.2%），但有望通过开发具有更好光吸收、电荷分离和器件设计的光催化剂材料来提升性能。在热充电AZBs中，锌负极的热电效应与正极和电解质中离子的热扩散和热提取之间存在协同效应。热电势或塞贝克系数是评估热电材料和器件性能的常用参数。

AZBs的其他功能

AZBs还具备光检测、形状记忆、电致变色、光致发光和自我保护功能。光检测和电致变色功能依赖于光活性材料和电致变色材料的使用，当光照射到光活性阴极上时，阴极会产生光电流，可以为电池充电或增强放电过程。光致发光AZBs适合应急照明。形状记忆AZBs用于形变恢复器件。自我保护机制基于环境变化响应的特殊隔膜和电解质实现，常用的设计包括溶胶-凝胶转变/热控聚合物/水凝胶等。

与其他器件的集成

综上，AZBs的优势使其更容易与其他器件集成，比如与其他能量转换器件（如太阳能电池和摩擦电纳米发电机）集成，有助于捕获和储存能量。集成器件的发展依赖于紧凑且轻便结构的设计，同时应考虑尺寸、力学和电压相匹配。在尺寸方面，需要紧凑设计，使用薄且柔性的材料，优化空间利用；在力学方面，侧重于柔性设计、耐用性和高效的机械操作；在电压匹配方面，需进行阻抗匹配、电压调节和有效的功率管理。

作者的观点与建议

单个组件对更多功能性材料的需求是巨大的。AZBs电极材料需要平衡高容量与高倍率来提高总体效率。优化器件设计需要综合考虑空间利用、接触电阻和柔性。通过材料整合、电极结构优化和先进制造技术，AZB可实现高性能与多功能完美结合。

建立理论框架和标准化评估方案是必须的。深入理解结构与性能关系，用于指导电极设计，提高转换效率十分关键。在研究柔性、自修复性、生物兼容和生物降解等性质时，需要采用一致且普遍的评估方法，这对推动研究进步至关重要。

优化整体效率并降低成本是不可或缺的。AZBs集成器件能量转换效率（ECE）低，提升ECE需对AZBs进行整体优化，包括转换器件、电源管理电路、集成技术，以及高性能材料的使用。AZBs制造已采用多项先进技术，但组装和封装层面仍需优化。随着ECE提升和成本降低，AZB集成器件未来的应用将拓展至可穿戴设备、物联网、电子产品、工业、结构及交通领域。