隨著可穿戴電子設(shè)備、軟體機(jī)器人和智能醫(yī)療系統(tǒng)的快速發(fā)展，柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)（Flexible Energy Storage Systems, FESS）作為實(shí)現(xiàn)柔性電子獨(dú)立供能的重要支撐，正在成為能源材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。電解質(zhì)作為儲(chǔ)能器件的核心組成，不僅影響能量密度與安全性，也決定了器件對(duì)復(fù)雜變形環(huán)境的適應(yīng)能力。近年來，為滿足柔性電子對(duì)設(shè)備性能和環(huán)境適應(yīng)性的更高要求，電解質(zhì)在物理形態(tài)、化學(xué)組成和功能設(shè)計(jì)等方面均發(fā)生了深刻演變。

近日，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫正明教授團(tuán)隊(duì)與佘偉教授團(tuán)隊(duì)合作在國際權(quán)威期刊《Chemical Reviews》（影響因子62.1）發(fā)表綜述論文，題為《Electrolyte Evolution for Flexible Energy Storage Systems: from Liquid to Solid, from Rigid to Soft, and from Organic to Aqueous》。該論文系統(tǒng)回顧了FESS發(fā)展對(duì)電解質(zhì)提出的結(jié)構(gòu)和性能需求，從“液態(tài)到固態(tài)”“剛性到柔性”“有機(jī)到水性”三個(gè)演化維度出發(fā)，深入剖析了當(dāng)前各類電解質(zhì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)、調(diào)控機(jī)制和發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與前瞻性展望。

圖1、FESS 電解質(zhì)的演變趨勢(shì)總覽

論文指出，柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)正逐步向高能量密度、高安全性、高機(jī)械適應(yīng)性方向發(fā)展，對(duì)電解質(zhì)提出了更高要求。然而，目前主流的聚合物或凝膠類電解質(zhì)在離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性、界面兼容性以及極端環(huán)境適應(yīng)性等方面仍存在顯著短板，嚴(yán)重制約了FESS性能的提升與實(shí)用化進(jìn)程。為此，文章從三個(gè)維度對(duì)電解質(zhì)的演進(jìn)路徑進(jìn)行了分類總結(jié)：

從液態(tài)到固態(tài)

固態(tài)電解質(zhì)有望解決液態(tài)電解質(zhì)泄漏、安全性差的問題，但其離子遷移能力不足仍是關(guān)鍵瓶頸。文章總結(jié)了通過無機(jī)填料構(gòu)建離子通道、界面耦合增強(qiáng)遷移效率等策略來提升固態(tài)體系離子傳輸性能的研究進(jìn)展。

從剛性到柔性

從有機(jī)到水性

水系電解質(zhì)因其高安全性和環(huán)保性受到廣泛關(guān)注，但其電化學(xué)窗口和長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍需突破。文章對(duì)“水包鹽”、高濃度凝膠化、離子液體共混等調(diào)控方法進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述。

圖2、電解質(zhì)的從有機(jī)系向水系過渡的發(fā)展歷程

綜述指出FESS電解質(zhì)目前的研究與發(fā)展主要面臨以下幾個(gè)核心問題：

離子電導(dǎo)率不足

電化學(xué)穩(wěn)定窗口窄

界面接觸不穩(wěn)定

功能集成度低

圖3、FESS電解質(zhì)所面臨的挑戰(zhàn)及其應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)上述問題，論文提出了系列解決方案：包括構(gòu)建納米級(jí)離子傳輸網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)屏蔽易氧化位點(diǎn)、引入自修復(fù)基團(tuán)提升結(jié)構(gòu)可靠性、開發(fā)阻燃與防凍功能材料等。

值得注意的是，論文特別強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能協(xié)同集成對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能FESS的重要意義，提出通過3D打印、一體化構(gòu)型設(shè)計(jì)、多物理模擬和人工智能輔助優(yōu)化等手段，進(jìn)一步提升器件綜合性能。

圖4、特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)物理性能需求

在此基礎(chǔ)上，作者重點(diǎn)討論了水凝膠電解質(zhì)在柔性器件中的潛力。其獨(dú)特的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅有利于離子高效傳輸，也具備優(yōu)異的柔性與組織相容性，是實(shí)現(xiàn)FESS安全性與形變適應(yīng)性的理想材料。文章從材料層設(shè)計(jì)、界面耦合優(yōu)化、自修復(fù)機(jī)制構(gòu)建、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等角度，提出了水凝膠電解質(zhì)未來發(fā)展的四個(gè)核心研究方向：

先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)

微觀機(jī)制表征與模擬

電極界面匹配調(diào)控

自修復(fù)與綠色可降解策略

此外，文章還展望了若干新興方向，如利用冰模板構(gòu)建有序孔道、發(fā)展水系與無機(jī)電解質(zhì)的混合體系、拓展FESS在人機(jī)界面和生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景等，為該領(lǐng)域的未來發(fā)展提供了重要參考。

該綜述論文由東南大學(xué)材料學(xué)院水濤副研究員為第一作者、碩士研究生梁耀嘉為共同一作進(jìn)行撰寫，并由南京航空航天大學(xué)材料學(xué)院張騰飛教授及東南大學(xué)材料學(xué)院佘偉教授、章煒教授、孫正明教授為共同通訊作者協(xié)作指導(dǎo)完成，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在柔性能源材料與電解質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的持續(xù)探索與理論創(chuàng)新，對(duì)推動(dòng)柔性儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義。

論文信息：

題目：Electrolyte Evolution for Flexible Energy Storage Systems: from Liquid to Solid, from Rigid to Soft, and from Organic to Aqueous

期刊：Chemical Reviews

作者單位：東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

通訊作者：張騰飛教授、佘偉教授、章煒教授、孫正明教授

DOI：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5c00036