综述：纤维状锌电池的进展：从结构、制造、优化到应用

本综述系统总结了纤维状锌电池（FZBs）在一维结构设计、可控制备技术、电化学与穿戴性能优化策略及多功能集成应用方面的最新进展，重点探讨了其作为可穿戴智能纺织品能源解决方案的巨大潜力，并指出了在能量密度、循环寿命及规模化集成等方面面临的挑战与未来发展方向。

　　

纤维状锌电池的结构与组成

纤维状锌电池（Fiber-shaped Zinc Batteries, FZBs）以其独特的一维结构脱颖而出，具备超高的柔韧性、出色的可拉伸性和优异的可编织性，是智能可穿戴织物的理想能源存储解决方案。其核心组件包括阴极、阳极、电解质、集流体和封装材料。阴极材料根据储能机制可分为嵌入型（如MnO₂、V₂O₅）、转化型（如AgO、Co₃O₄）、配位型（如聚苯胺PANI、聚吡咯PPy）和催化型（如Pt/RuO₂、Co₃O₄）。阳极主要以锌丝、锌箔、锌弹簧、锌纳米片（Zinc NSs）和锌粉等形式存在。电解质则分为液态电解质、水凝胶电解质和离子凝胶电解质，其中水凝胶电解质（如PVA、PAM、CMC基凝胶）因其良好的机械性能和界面稳定性被广泛应用。集流体需兼顾高导电性、机械强度和柔韧性，主要分为金属基（如不锈钢丝、镍钛合金丝）、碳基（如碳纤维CF、碳纳米管纤维CNTF）和聚合物基（如PEDOT:PSS纤维）三类。封装材料则多采用热缩管（如PE、PET管）或聚合物涂层（如PU、PTFE）以实现密封和机械保护。

电极组装结构主要包括平行、缠绕、同轴和编织四种构型。平行结构易于手工制备但有效反应面积有限；缠绕结构最适合连续化生产且能实现更细直径的电池；同轴结构具有更高的活性材料附着性和优异的电化学性能，但制备工艺复杂；编织结构则直接将电极作为纱线编织成织物，再通过电解质涂覆实现供电，但对纤维电极的强度要求较高。

制造工艺与技术

纤维电极的制备方法主要分为基材负载法（如浸涂、水热法、电沉积、静电纺丝、溶液反应和原位聚合）和挤出法（如湿法纺丝和挤出式3D打印）。浸涂法操作简单但浆料的流变性能和粘附强度至关重要；水热法可直接在基材上生长纳米结构，无需粘结剂，但适用范围受限；电沉积可通过控制电位、电流密度和时间精确调控沉积层的厚度和形貌；湿法纺丝则能连续生产内部结构有序的纤维电极，其纺丝液的流变性能和分散性是关键参数。

电池组装工艺则包括手工组装、设备辅助组装和集成自动化组装三种方式。手工组装适用于实验室小规模制备，但电池长度有限且一致性差；设备辅助组装（如纺织机械）可实现米级长度的电池制备，一致性和性能更优；集成自动化组装则能连续生产千米级长度的FZBs，是推动其规模化商业应用的关键技术。

性能优化策略

电化学性能优化

材料改性主要从阴极、阳极和电解质三方面入手。阴极优化策略包括纳米化（增加反应界面）、涂层（提高导电性）、复合（协同效应）、掺杂（调整电子结构）和缺陷工程（优化离子扩散特性）。阳极优化则通过纳米化（均匀锌沉积）、基底设计（引导锌离子沉积）和复合（增强结构稳定性）来抑制枝晶生长和副反应。电解质优化则通过添加剂设计（如TSC调控溶剂化结构）、高浓度电解质（降低水活性）和水凝胶设计（如三层电解质精确分配质子）来提升离子电导率和界面稳定性。

结构设计则聚焦于解决纤维结构带来的衍生问题。均匀传输结构（如锌亲和基底、碳层、GO嵌入电解质）可优化电极间电荷传输；连续导电结构（如CNT壳层、碳纳米管缝合二维纳米片、泡沫辊结构）可减少径向电子/离子传输损失；界面保护结构（如CNT/PEDOT保护层、双层凝胶电解质、微裂纹结构）则能增强电极/基底或电极/电解质界面的稳定性。

穿戴性能评估

FZBs的穿戴性能评估主要包括可穿戴性（可弯曲性、可拉伸性、可挤压性、可扭转性、可编织性、耐洗性和生物相容性）和实用性（串并联、自愈合、形状记忆和宽温域）。研究表明，FZBs在经历数千次弯曲、拉伸、扭曲后仍能保持稳定的电化学性能；通过串并联可满足高电压、大电流放电需求；基于氢键的可逆破坏和重组，电解质和封装材料可实现自愈合；利用镍钛合金的形状记忆效应或水凝胶的温敏特性，电池可实现变形恢复；通过添加乙二醇或采用离子液体，电池的工作温域可拓宽至-30°C–60°C。

应用领域拓展

能源存储与供应

FZBs可作为柔性放电模块为LED、手表等电子设备供电，也可作为结构元件为微型机器人（如蜘蛛、鸟类机器人）提供动力。此外，通过将太阳能电池模块与锌离子电池模块集成到单根纤维上，可实现光能-化学能-电能的一体化收集与存储，其光电转换效率接近1%。

多功能设计

FZBs还可集成热敏（温致变色）、汗液驱动（生物能转化）、焦耳热（低电压高效加热）、荧光（多色显示）和湿敏（环境适应性）等功能，使其在智能纺织品中展现出更广阔的应用前景。

传感与识别

通过将FZBs与应变传感器、气体传感器等集成，可构建自供电传感系统，用于生理识别（手势、语音、面部表情、姿态识别）和环境检测（NO₂监测、障碍物报警、运动轨迹追踪）。这些系统可通过MCU采集数据，并通过BLE或MQTT协议将数据实时传输至智能手机进行显示和处理。

挑战与展望

尽管FZBs展现出巨大潜力，但仍面临循环寿命不足、能量密度偏低、实际穿戴性问题、生物相容性担忧、制造工艺复杂、机理认识不足、缺乏标准化和应用领域狭窄等挑战。未来研究应致力于：1）通过材料与结构优化提升循环寿命和能量密度；2）全面提高整体穿戴性能（包括自愈合、形状记忆、宽温域等）；3）创新先进加工与集成技术以实现规模化生产；4）结合多模态原位表征和多尺度理论模拟深入理解其内部机理；5）制定统一的性能评估标准；6）利用人工智能驱动材料创新；7）拓展其在能量转换与存储（如光能、生物能、机械能转化）中的应用；8）开发更多功能（如电致变色、电致变形、电致发光等）以拓宽其应用场景。随着关键技术的突破，FZBs有望在可穿戴电子、医疗健康监测和物联网传感器等领域实现大规模商业化应用。