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本文为“迈向光纤锂离子电池的现实应用”综述之推荐导读。文章聚焦这一前沿储能技术，系统剖析了阻碍其走向实用化的两大核心壁垒：封装策略薄弱与电化学模型缺失。文中详尽评述了多种封装方案（如聚烯烃、含氟聚合物、复合结构、热拉封装及液态金属封装）的水汽透过率（WVTR）、循环容量保持率等性能；同时深入探讨了光纤电池独特的长度依赖性表现及其现有等效电路模型的局限。文章旨在呼吁封装行业与电化学建模界的协同参与，共同推动这种兼具柔性与线性集成潜力的新兴技术发展。
迈向光纤锂离子电池的现实应用
引言
自2012年LG化学首次报道线缆状锂离子电池（LIB）以来，光纤（或称纱线状）电池因其能够贴合各种曲面或不规则表面，在储能、智能纺织品、可穿戴电子、生物医学传感乃至软体机器人领域激发了广泛的研究兴趣。尽管相关报告层出不穷，但该类电池在工业或军事应用中的广泛采纳仍遥不可及。本综述旨在剖析阻碍其实现现实应用的两大关键障碍：封装不佳与建模存疑，并呼吁来自封装行业与电化学建模界的投入，以推动这一崭新而令人兴奋的技术发展。
1 封装策略
光纤锂离子电池的实际应用从根本上受限于其环境稳定性。暴露于氧气和水分会加速电解质降解、寄生副反应和电极衰变。因此，封装直接关系到其稳定性、性能与安全性。与传统电池不同，纤维状器件需要兼具防潮氧渗透性与机械柔性的封装。评估封装性能通常考虑四大指标：水汽透过率（WVTR）、循环容量保持率、内阻及日历寿命。
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2.1 聚烯烃
早期封装依赖于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚酰胺（PA12）等聚合物管，因其成本低且与工业化熔融挤出工艺兼容性好。然而，聚烯烃非晶区的自由体积限制了其阻隔性能，PA12则因其酰胺基团亲水而导致最差的WVTR。例如，PA12基封装在150次循环后容量仅保持1.04%，而PP基封装在类似条件下保持33.1%。这些材料虽易于加工，但无法满足长日历寿命要求。
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2.2 含氟聚合物
为克服聚烯烃局限，研究者转向聚氯三氟乙烯（PCTFE）、氟化乙烯丙烯（FEP）和全氟烷氧基烷烃（PFA）等含氟聚合物。它们具有高结晶度、强C-F键和低自由体积，能有效阻隔水氧。例如，FEP管的WVTR在0.3-0.5 mg·day?1·pkg?1之间，支持75%-78%的容量保持率。PCTFE表现更佳，WVTR低至0.123 mg·day?1·pkg?1，支持88%的容量保持率（100天）和70%（200天）。通过掺入2%有机改性蒙脱土（OMMT）纳米片，WVTR可进一步降至0.006 mg·day?1·pkg?1，实现80.03%的容量保持率（870次循环）和200天的日历寿命。含氟聚合物，尤其是PCTFE，被视为实现长寿命光纤LIB的更优封装材料。
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2.3 复合结构封装
另一种策略是结合聚合物与金属阻隔层的复合封装。例如，采用聚丙烯（PP）管外覆铝塑膜，通过热封集成。这种结构实现了优异的阻隔性能，WVTR低于0.005 g·m?2·day?1，比常规聚烯烃管低近两个数量级。电化学测试显示，500次充放电循环后容量保持率达90.5%。然而，这种结构在一定程度上牺牲了纺织兼容性。
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2.4 热拉封装
这是一种集成化的原位封装方法，将封装管的挤出直接融入器件制造过程。通过堆叠环烯烃共聚物（COC）、碳载聚乙烯（CPE）等聚合物的宏观预制体，经热压和受控热拉，可制成具有同轴结构的连续长管。电极在热拉前嵌入，聚合物包层同时充当机械支撑和封装。这种方法具有固有的可扩展性。据报道，采用COC/CPE包层封装的热拉光纤LIB，在5C高倍率下100次循环后容量保持率超过90%，且具备出色的机械耐久性。但其WVTR和日历寿命数据尚未见报道，且存在可重复性问题。
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2.5 液态金属封装
一种非常规但极具前景的策略是使用液态金属，如共晶镓铟（EGaIn），与聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性体基质结合。EGaIn提供金属级的密封性，同时保持柔软和可拉伸性。例如，通过真空辅助填充EGaIn形成的封装，其水氧渗透性比聚合物管低数个数量级。在此封装下，电池在140次循环后保持90%的初始容量，500次循环后仍保持72.5%，且阻抗增长极小。PDMS基质允许电池反复弯曲拉伸。但该方法受限于镓基合金的成本以及真空填充和密封工艺的复杂性。
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2.6 总结与展望
封装是阻碍光纤锂离子电池实用化的关键问题之一。挤出基聚烯烃成本低但无法提供长期稳定性。含氟聚合物，特别是掺有2% OMMT的PCTFE，表现出更佳性能。复合系统实现了超低渗透性，但一定程度上牺牲了器件柔性。热拉封装提供了可扩展、纺织兼容的解决方案，但缺乏定量阻隔数据和可重复性。液态金属提供了无与伦比的密封性与拉伸性组合，但面临复杂性和成本的挑战。未来研究可借鉴柔性有机发光二极管（OLED）和医疗植入物等领域，探索多层混合阻隔策略，结合无机材料（如Al2O3）的优异防潮性与聚合物的机械柔性，以适应光纤LIB独特的管状几何形状。
2 长度依赖性与电化学建模
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3.1 长度依赖性表现
光纤电池最独特的特征之一是其性能（包括容量和内阻）的长度依赖性。然而，仅有少数研究组报告了相关数据。例如，随着长度从10厘米增加到2米，电池容量线性增加，但超过2米的数据缺失。另有报告显示，长度归一化容量在短纤维与长纤维之间的差异通常随纤维长度增加而变大。对于光纤超级电容器，已观察到电容在大约3米长度处出现平台期，额外长度对总电容贡献甚微。普遍结论是，在这类纤维状储能器件中，容量（或电容）并不随纤维长度线性增加，而是在特定长度（取决于器件化学和结构）出现平台。最近报道的“双端电子收集（DECT）”方法，通过短路阴极和阳极电流收集器的两端，使轴向电场分布均匀化，可将有效纤维长度加倍，为长度依赖性问题提供了缓解方案。
从内阻角度看，行为也颇为有趣。有报告显示内阻随纤维长度增加而快速下降，并在一定长度后趋于平稳。光纤电池（和超级电容器）具有独特的性能长度依赖性，这对其实用化至关重要。若缺乏对此的澄清，光纤电池可能会因冗余长度或自身间不良互连而影响应用。
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3.2 电化学等效电路建模
迄今为止，准确的光纤电池（或超级电容器）电化学模型仍然缺失。现有文献中的模型主要关注两类相关性：一是电压随纤维长度的演变（I型），二是阻抗谱的拟合（II型）。有趣的是，大多数I型模型最终都得出电压沿纤维长度呈“双曲余弦（cosh）”分布的表达式。关键区别在于模型中几何因子的定义不同。这些模型均基于简单的欧姆关系（电流=电压/电阻），但这对于典型的LIB充放电循环并不准确，因为需要克服开路电压（OCV）。现有模型对电压沿长度衰减速率的预测与实验室测量结果存在差异。因此，需要开发更准确的模型来描述光纤LIB电压随长度的演变。
II型模型则侧重于发展总阻抗Z作为器件参数（纤维长度、集流体规格、电极材料因素、电解质电导率等）函数的数学表达式，并用于拟合不同长度下实验获得的奈奎斯特图。然而，由于考虑的器件参数众多，常被电化学建模者视为过拟合。此外，所采用的传输线模型（TLM）源自Lasia的多孔电极模型，该模型基于三电极系统且电流流向与光纤器件几何结构不同，因此直接套用其阻抗表达式存在疑问。
3 其他剩余挑战与潜力
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4.1 能量密度
能量密度是决定储能器件有效性和广泛应用范围的关键参数。目前性能最佳的光纤LIB的能量密度约为128 Wh kg?1，约为最先进薄膜电池的一半。在保持合理纤维厚度的同时提高能量密度仍是一个重大挑战。解决之道需结合材料工程与结构工程，包括增加纤维电极中活性电极材料的负载、进行超越传统纱线几何的结构创新以缩短离子和电子传输路径，以及最小化非功能性组分（如过量粘合剂、隔膜或封装材料）的比例。
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4.2 机械鲁棒性与集成
光纤电池旨在通过编织、针织、编织或刺绣集成到纺织品中。因此，它们必须能承受反复弯曲、压缩和拉伸而性能不显著下降。现有研究往往缺乏在真实条件下机械耐久性的严格标准化测试协议。另一个挑战在于封装器件的尺寸。目前大多数封装后的光纤电池直径仍有1–2毫米，远大于标准纺织纱线。这种“尺寸失配”影响了它们与织物的无缝集成。“尺寸失配”问题以及开发能够吸收或适应应变而不影响功能的机械顺应性电互连，是推动该领域发展的关键。
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4.3 更广泛的应用
尽管大多数报道的光纤电池应用集中于可穿戴电子，但其潜力远不止于此。在医疗保健领域，它们可实现贴合皮肤的生命体征监测衬衫、伤口监测敷料，甚至用于临时心脏起搏或神经刺激的可生物降解的线状植入物。然而，对于这些生物导向的应用，材料安全性成为首要关注点。LIB纤维中使用的有毒电解质可能对使用者健康产生不利影响，这需要对整个器件进行有效且坚固的封装。在军事系统中，负载共享的供电织物可以减轻士兵当前携带的电池负担，同时为自适应伪装、加热制服和分布式无线电供电。在航空航天领域，嵌入结构复合材料的光纤电池既能承受机械载荷，又能为无人机、电动垂直起降飞行器座舱或宇航服组件供电，最大化质量效率。在建筑环境中，储能的建筑纺织品有望成为缓冲本地可再生能源发电的幕墙、遮阳篷和智能混凝土构件。软体机器人、无人机、水下通信电缆和触觉汽车内饰等新兴领域进一步展示了光纤电池如何将设计师从平面电池几何形状中解放出来，在需要灵活性、微型化和机械完整性的地方精准供能。
