综述：用于柔性电子产品的可拉伸软电池：通过结构设计与材料创新的协同作用，推动医疗康复领域及可穿戴能源存储技术的发展

《Journal of Energy Storage》：Stretchable soft batteries for flexible electronics: Synergizing structural design and material innovation toward medical rehabilitation and wearable energy storage

　　**摘要**
传统的刚性电源在机械柔顺性方面与新兴的柔性电子系统存在根本性的不匹配，这成为限制它们在电子皮肤、可穿戴健康监测设备和植入式医疗康复设备中应用的关键瓶颈。本文对可拉伸软电池技术进行了全面而系统的研究，特别关注其在医疗康复和柔性医疗系统中的应用潜力。文章重点分析了两种并行但又互补的技术途径以实现机械变形能力：一种是结构设计策略，包括纤维形状、岛屿-桥接、蛇形、波浪形、折纸和剪纸结构；另一种是软材料系统，包括液态金属、弹性体和凝胶。对于本质可拉伸材料和结构工程化设备，本文明确区分了机械应变与电化学降解之间的机制联系。此外，还建立了基于应用场景的映射关系，将性能要求与电子皮肤、数字医疗、可穿戴电子设备和柔性显示器的设计策略联系起来，特别强调需要具备与组织匹配的机械性能、生物相容性和长期运行稳定性的医疗康复场景。本文指出了关键技术障碍，包括机械变形能力与能量密度之间的固有trade-off、循环变形下的长期疲劳抵抗不足、环境稳定性不足以及缺乏标准化的性能评估协议。提出了未来的研究方向，强调多材料混合架构、基于物理的预测性设计模型、可扩展的制造范式以及智能的系统级集成。结构创新与材料工程的协同结合被视为开发下一代可拉伸电源的关键途径，以满足医疗康复和先进柔性电子应用的严格需求。

**引言**
灵活和可拉伸电子产品的普及是过去十年中最具变革性的技术趋势之一，从根本上重新定义了人类与机器之间的界面[1]、[2]、[3]。与传统刚性电子设备不同，柔性电子设备能够适应曲面形状、承受动态变形，并与人体保持紧密接触[4]、[5]。这一独特能力开启了多种应用领域，包括用于触觉传感和假肢的电子皮肤(e-skins)、用于持续生理监测的数字医疗平台、用于健身追踪和增强现实的可穿戴消费电子产品，以及可以弯曲、折叠和卷起的柔性显示器[6]、[7]、[8]。预计全球软电池市场将大幅增长，从2022年到2027年市场规模将扩大2.4047亿美元[9]，凸显了该技术领域的商业重要性[9]。随着这些应用领域的不断发展，对能够无缝集成到柔软可变形系统中同时保持稳定电化学性能的储能装置的需求日益迫切[10]、[11]。

开发可拉伸电池的根本挑战在于协调机械变形能力和电化学功能之间的矛盾[12]、[13]。传统电池架构依赖于刚性电极、固定形状的电解质和机械刚性的封装，以确保稳定的离子传输并防止短路。然而，在可穿戴和植入式应用中常见的拉伸、压缩、弯曲或扭转应变下，这些传统设计会经历结构失效、界面分层和容量急剧下降[14]、[15]。此外，人体是一个极其苛刻的机械环境：皮肤在关节弯曲时会产生约20-30%的拉伸应变，而心脏和肌肉组织则会经历不同频率的循环变形[16]、[17]。任何旨在在此类环境中长期使用的储能装置不仅必须能够承受这些重复的机械扰动，还必须在其整个使用寿命期间保持一致的电力输出、容量保留和运行安全性[18]、[19]。应对这一多方面的挑战需要在架构和材料层面进行创新。

为了克服传统电池配置的机械限制，研究人员开发了一系列巧妙的结构设计策略，将承载功能与储能功能分离，从而为由本质刚性或仅具有适度柔韧性的组件构建的系统赋予宏观可拉伸性[20]、[21]。这些策略可以根据主导的变形机制大致分为几类：通过高长宽比几何形状实现柔顺性的一维（1D）纤维形状架构[22]、[23]；通过蛇形或分形启发式的导电桥将刚性活性材料岛屿连接起来的岛屿-桥接配置，这些桥可以通过平面内弯曲和扭转来适应应变[24]、[25]；利用平面外屈曲将宏观拉伸应变转化为微观弯曲的波浪形和皱褶几何形状[26]、[27]；以及利用折叠和切割图案将平面薄片转化为具有可编程机械响应的三维可变形结构的折纸和剪纸启发式设计[28]、[29]。每种方法都在可实现的可拉伸性、面积能量密度、制造复杂性和可扩展性之间涉及不同的权衡。深入理解每种设计策略背后的力学原理、电化学影响和实际制造限制对于指导合理的设备工程至关重要。

除了结构工程之外，开发本质可拉伸的软材料也开辟了一条无需复杂几何图案的可变形储能装置的新途径[30]、[31]。这些材料（包括液态金属、弹性体和功能性凝胶）在分子或微观结构层面具有固有的机械柔顺性，使它们能够在保持核心功能的同时承受大应变[32]、[33]。液态金属（特别是基于镓的合金，如共晶镓-铟(EGaIn)和Galinstan）由于其独特的金属级导电性、近乎无限的变形能力和自修复能力而受到广泛研究[34]、[35]。作为电极材料使用时，液态金属可以作为本质可变形的阳极，从而避免传统固态电极材料所面临的问题[36]、[37]。弹性体（如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)和苯乙烯嵌段共聚物)为隔膜、封装剂和复合电极提供了机械坚固且柔顺的基质[38]、[39]。凝胶（包括水凝胶、有机凝胶和离子凝胶系统）作为多功能平台，可以同时充当准固态电解质、离子选择性隔膜和弹性粘合剂，有效整合了单一软材料系统中的多种设备功能[40]、[41]。这些材料创新与结构设计原理的结合使得电池系统实现了前所未有的可拉伸性、电化学性能和功能韧性的组合。

在各种软材料候选者中，基于水凝胶的电解质因其出色的可调性和多功能性而值得特别关注[42]、[43]。水凝胶是三维交联的亲水性聚合物网络，能够吸收并保持大量水性电解质溶液，同时保持类固体的机械完整性。它们富水的微环境促进了快速的离子传输，使得离子导电性接近液态电解质，而聚合物支架提供了适应重复变形所需的机械弹性[44]、[45]。近年来聚合物化学的进步使得具有双重网络结构、动态交联和纳米复合增强的水凝胶得以合成，显著提高了它们的机械韧性、抗疲劳性和自修复性能，而不会影响离子传输[46]、[47]。此外，水凝胶的化学多样性允许添加功能性添加剂（如氧化还原活性物质、导电纳米填料和低温防冻剂），从而扩展了基于水凝胶的电池在广泛温度范围和不同电化学配置下的应用范围[48]、[49]。

除了适用于可拉伸形态的传统电池化学成分外，新兴的生物启发式离子电源代表了一个新方向，其灵感来源于生物能量转换系统[50]。例如电鳗和电鳐等物种中的电气器官通过串联排列的离子选择性膜的累积作用产生显著电压，实现定向离子传输，而无需外部机械、热或环境刺激[51]、[52]。研究人员将这些生物原理转化为工程化的离子电源，这些电源使用堆叠的水凝胶隔室和可编程的离子浓度梯度及选择性离子传输膜，产生了与传统电池根本不同的柔性且可拉伸的电源[53]、[54]。这些生物启发式系统在生物相容性、可降解性和与水性生物环境的兼容性方面具有潜在优势，使其特别适用于暂时性植入设备和生物集成电子设备[55]、[56]。尽管近年来取得了显著进展，但可拉伸软电池领域仍处于相对较早的发展阶段，仍有一些基本和实际挑战尚未完全解决[57]、[58]。关键问题包括可拉伸电极在循环机械负载下的长期电化学稳定性、大范围重复变形过程中电极-电解质界面的完整性和可靠性、凝胶电解质中离子导电性与机械坚固性之间的权衡、基于水凝胶系统的保水性和环境稳定性，以及开发能够以商业可行成本生产高质量可拉伸电池的可扩展制造工艺[59]、[60]、[61]。亟需一种系统的、综合的理解，将结构设计原理、软材料特性和应用特定要求结合起来，以指导未来研究并加速实验室演示向实际产品的转化。

本文旨在提供用于柔性电子应用的可拉伸软电池的全面概述，重点关注结构设计策略与软材料创新之间的相互作用。本综述涵盖了可拉伸电池在电子皮肤、数字医疗、可穿戴电子设备和柔性显示器中的工作原理和应用背景；主要结构设计方法（包括纤维形状架构、岛屿-桥接配置、蛇形互连、波浪形和皱褶几何形状以及折纸和剪纸启发式结构）的分类、机械分析和性能特性；以及支撑本质可拉伸性的软材料（液态金属、弹性体和凝胶）的详细研究，特别关注它们的电气、机械和电化学性质。此外，还讨论了新兴的生物启发式离子电源，作为下一代可拉伸电源系统的前瞻性视角。通过建立一个连接可拉伸电池设计的结构、材料和功能维度的连贯框架，本综述旨在为致力于开发高性能、耐用且实用的可拉伸能源存储解决方案的研究人员和工程师提供基础性理解。

**操作机制和应用范式**
为了明确本综述的范围，讨论集中在两个核心维度：可拉伸电池的结构设计策略（包括纤维形状、岛屿-桥接、蛇形、波浪形、折纸和剪纸配置）和用于本质变形能力的软材料系统（包括液态金属、弹性体和凝胶）。这两个维度构成了实现性能优化的并行但互补的技术途径——前者实现了系统级别的...

**结构优化和性能评估**
在复杂的动态变形场景下，可穿戴电子系统、电子皮肤设备和柔性显示模块的操作可靠性在很大程度上取决于可拉伸电池系统的机械适应性和连续电化学输出能力。高性能的可拉伸电池需要具备出色的机械变形能力、结构坚固性以及在反复拉伸、弯曲和扭转下的长期循环稳定性...

**材料驱动的可拉伸电池构建的基本设计原则**
传统的可拉伸电池制造结构修改策略本身受到内在机械缺陷的限制，包括逐渐累积的机械疲劳、在不规则曲面上的不充分贴合能力以及复杂的多步骤制造流程，这些严重限制了可变形储能设备的长期操作可靠性和可扩展应用。相比之下，基于材料调制的设计范式...

**结论**
(1) 目前的可拉伸软电池领域存在一个根本且未解决的矛盾：虽然像岛屿-桥接、蛇形和剪纸这样的结构创新成功地将储能与机械变形分离，但它们普遍牺牲了面积能量密度并引入了过多的无效质量，从而形成了一个性能上限，阻碍了这些系统满足高功耗柔性电子产品（如CRediT）的严格功率需求...

**作者贡献声明**
李春：撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿。曾晓飞：撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿。胡龙祥峰：撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿。邵英：撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿。魏莎莎：撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿。陈宇：撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：陈宇确认所有复用的图表均已获得许可。如果有其他作者，他们声明没有已知可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**作者信息**
李春 | 曾晓飞 | 胡龙祥峰 | 邵英 | 魏莎莎 | 陈宇
中国电子科技大学医学院绵阳中心医院康复医学系，四川绵阳，621000