近年来柔性和可伸缩电子设备发展迅速，可穿戴设备、皮肤传感器、可弯折智能卡和柔性显示屏等柔性电子器件层出不穷，这些设备无一例外都需要一个与器件本身具有类似机械性质（柔性和可伸缩性）的内置电源，而受限于材料以及生产工艺等限制，当前消费电子领域常用的锂离子电池通常都是刚性的。为了跟上柔性电子器件的发展速度，柔性/可伸缩性的电源研究必须加快步伐。为此需要将锂离子电池的几乎所有组分都替换为柔性可伸缩部件，包括正极、负极、隔膜、电解液、集流体以及封装材料，同时还需保证电池的电化学性能。这方面已有一些研究，例如在柔性电极制备方面，可以将刚性的电极材料灌入多孔骨架结构中，但这类设计太过复杂，成本高昂难以实现规模化制备，且通常会用到PDMS等基底材料导致电池过于笨重；电解质方面，聚合物凝胶电解质包括PVDF,PEG,PEO和聚离子液体等材料是大家常用的柔性电解质材料，但其室温离子电导率通常较低，只有10-4~10-3S/cm水平；集流体方面的研究就更少了，而且多数报道的集流体材料在未伸缩状态时的薄膜电阻为150-200Ω/左右，拉伸后阻抗会大大增加，导致电池内阻过大。此外，尽管已有很多关于柔性电池组分的研究见诸报道，但是很少有人介绍如何将其组装成柔性可伸缩的全电池。因为组装全电池时还要考虑界面的兼容性，特别是电池在反复拉伸时如何保证界面处快速的离子和电子传输，以及保证电池各个组分在机械应力下不会出现分层现象，这就凸显出处理工艺的重要性了。
面对这些问题，来自苏黎世联邦理工学院材料系的Markus Niederberger教授在ADVANCED MATERIALS期刊上介绍了他们的解决方案。他们使用了内渗透碳网络的复合聚合物并将导电银片涂在其表面作为集流体，随后通过喷涂法分别将正极（LiMn2O4）和负极（V2O5）材料涂覆在集流体上，从而在集流体和活性材料之间形成稳固的界面。电解质方面，他们采用了聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶复合“water-in-salt”（WiS）水系电解液。最后，将这些柔性组分组装成高弹性的薄膜全电池。据作者所知，这是第一次将正负极、电解质和集流体以柔性的形式集成出可伸缩的柔性电池，在50%拉伸状态下，其还能保持28mAh/g的容量，在120mA/g电流密度循环50圈后平均能量密度依然有20Wh/kg，使其非常有希望应用在柔性可伸缩固态软包电池中。
图1. a)SCCA集流体膜的制备过程示意图；b) SCCA复合物集流体的导电机理图，展示了不同组分对电子传输路径的贡献，左侧为未拉伸状态，右侧为拉伸状态；c) SCCA膜在未拉伸状态（顶部）和拉伸状态（底部）的照片。
图2. a) SCCA在未拉伸状态的表面SEM图；b) 购买的SEBS原材料（黑色）、制备的SEBS膜（红色）和SCC膜（蓝色）的XRD衍射图；c) SCC和SCCA复合膜在不同应变时的薄膜电阻；d) SCCA 薄膜在 0% (绿色),50% (红色)和100% (蓝色)应变下循环时的薄膜电阻变化图；e) SCCA 薄膜在 50% (红色)和100% (蓝色)应变下循环时归一化的薄膜电阻变化图；
图3. PAM-WiS复合电解质的设计概念示意图；b) PAM-WiS制备过程的照片；c) PAM-WiS在初始状态和拉伸状态下的照片。
图4. PAM水凝胶冻干后的SEM图；b）PAM水凝胶、WiS溶液和PAM-WiS凝胶电解质的ATR-IP谱图；c) WiS (蓝色) 和PAM-WiS (红色)的电化学窗口；d）PAM-WiS在不同温度下的离子电导率。
图5. a）可伸缩全电池的设计和工作原理示意图；b,c)SCCA–LiMn2O4复合正极和SCCA–V2O5复合负极的SEM图；d, e) SCCA–V2O5复合负极和SCCA–LiMn2O4复合正极的照片；(f)全电池在(g)机械扭曲状态、(h)弯折状态和(i)拉伸状态时的照片。
图6. 全电池在Swagelok设计形式时的电化学测试：a)正极（红色）和负极（蓝色）在三电极形式下的GCPL(galvanostaticcycling with potential limitation)电压曲线，其中ε-LixV2O5|LiMn2O4为氧化还原电对，Ag/AgCl为参比电极；b)当ε-LixV2O5和LiMn2O4分别作为工作电极，Pt为对电极时的CV曲线。全电池在可伸缩设计形式时的电化学测试：c)电流密度为1C和5C（1C=60mAh/g）电流密度下循环时的三电极装置循环性能和相应的库伦效率图；柔性可伸缩电池在未拉伸和50%拉伸状态间进行50个GCPL循环时的d)比容量和e)能量密度图；f)柔性可伸缩电池在不同拉伸程度时的Nyquist图。
Xi Chen, Haijian Huang, Long Pan, TianLiu, and Markus Niederberger, Fully Integrated Design of a Stretchable Solid-State Lithium-Ion Full Battery,Adv. Mater., , DOI:10.1002/adma.04648
