摘要：随着柔性电子技术的发展，柔性电池因其可弯曲、折叠和拉伸等特点，成为可穿戴设备、软体机器人和植入式医疗设备等领域的重要技术。本文综述了柔性电池领域的研究进展，包括其关键组成部分、制造技术及实际应用案例等。本文还详细探讨了柔性电池的核心组成材料，包括柔性电极、电解

随着柔性电子技术的发展，柔性电池因其可弯曲、折叠和拉伸等特点，成为可穿戴设备、软体机器人和植入式医疗设备等领域的重要技术。本文综述了柔性电池领域的研究进展，包括其关键组成部分、制造技术及实际应用案例等。本文还详细探讨了柔性电池的核心组成材料，包括柔性电极、电解质和集流体的最新进展及其在性能提升方面的作用；介绍了柔性电池制造中所采用的先进技术，如静电纺

丝、3D打印等，并分析这些技术在柔性电池制造中的优势和局限性。结合当前技术瓶颈探讨了柔性电池的未来发展方向和潜力。

随着科技的飞速发展，柔性电子技术在可穿戴设备、软体机器人和植入式医疗设备等领域展现出巨大潜力。柔性电池以其独特的可弯曲、可折叠、可编织、可穿戴和/或可拉伸的特性，能够无缝集成到各种复杂的可穿戴设备和植入式设备中。这些特性使得柔性电池成为支持下一代柔性电子设备发展的关键技术。与传统的刚性锂离子电池不同，柔性电池在材料选择、结构设计和性能优化等方面具有更高的要求。这种性能要求促使研究人员不断探索新型材料和创新设计。这些创新为柔性电池的应用奠定了技术基础，并为未来发展提供方向。

柔性电池的应用领域正在不断扩展，其在智能家居、柔性电子和医疗健康等领域的应用前景尤为广阔。此外，柔性电池还在软体机器人中发挥重要作用，帮助机器人实现更高的灵活性和适应性，为其在工业制造、环境监测和灾害救援等领域的应用提供强有力的支持。

尽管柔性电池展现出了巨大的应用潜力，其技术发展仍然面临诸多挑战。首先是能量密度与力学性能的平衡问题，高能量密度通常伴随材料脆性的增加，如何在不牺牲机械柔性的情况下提升电池性能是一个关键难题。其次，柔性电池的制造工艺尚未完全成熟，特别是在大规模生产中如何保证产品性能的一致性和可靠性仍需深入研究。此外，柔性电池的环境适应性（如温度和湿度的影响）以及使用寿命问题也亟待解决。

1 柔性电池的发展历程

柔性电池的概念最早起源于20世纪末，随着柔性电子技术的萌芽，研究人员开始尝试为可弯曲和可穿戴设备开发新型能源存储系统。在这一时期，传统刚性电池被简单地改造为“薄型化”版本，以减小电池厚度并提升一定程度的柔性。

随着研究的深入，柔性电池逐渐从薄型化向真正的柔性化转变。早期的柔性电池设计多采用基于聚合物基质的柔性电解质以及涂覆在柔性基底上的电极材料。这些设计为后续柔性电池的发展奠定了理论和技术基础。近年来，柔性电池技术进入快速发展阶段，柔性锂离子电池、钠离子电池和多价金属离子电池等多种新型储能器件相继问世。

1.1 柔性锂离子电池

柔性锂离子电池的研究始于2010年，采用层压工艺将电池组件集成在纸上，使用碳纳米管薄膜作为集流体，复印纸作为衬底和隔膜。随后，提出了一种通用转移法，依次在云母衬底上沉积电极、电解质和封装层，然后转移到聚二甲基硅氧烷衬底上，制得可弯曲电池，该电池在充电电压和比容量上处于领先水平。印刷技术也被应用于柔性电池的制备，并成功在医疗电子领域应用。基于碳布衬底和凝胶聚合物电解质的水基锂离子电池展示了优异的柔韧性和可剪裁性。一些公司发布的柔性锂离子电池的模型如图1所示。

图1 部分公司发布的柔性锂电池

1.2 柔性钠离子电池

柔性钠离子电池如图2所示。相比传统锂离子电池，钠离子电池以钠为储能离子，原料丰富、成本低廉，且具有较高的环境友好性和安全性。柔性钠离子电池在材料和结构设计上通常采用柔性电极材料（如碳基材料、导电聚合物）与柔性固态或半固态电解质（如凝胶电解质和离子导电高分子）。通过优化电极与电解质的界面相容性及柔性支撑结构，柔性钠离子电池可以在弯曲、拉伸等变形条件下保持稳定的电化学性能。这类电池在可穿戴设备、智能纺织品和柔性传感器等领域具有广阔的应用前景，同时推动了柔性能源储存技术的发展。

图2 柔性钠离子电池组件

1.3 柔性锌离子电池

柔性锌离子电池（ZIBs）因其较高的理论能量密度和良好的安全性，逐渐成为研究热点。与传统的锂离子电池相比，锌离子电池能够提供更高的电荷量，从而提升其容量和能量密度。此外，锌金属在电沉积过程中不易形成枝晶，因此具有更高的安全性和较低的自放电问题，适合用于可穿戴设备和柔性电子产品。

近年来，柔性锌离子电池的设计不断优化。通过采用碳基材料和纳米结构化氧化物作为电极材料，可以有效提升电池的电导性与能量密度。此外，采用水性电解质和凝胶电解质作为介质，可以进一步提高电池的柔性和机械稳定性。在结构设计方面，3D打印技术的应用使得柔性锌离子电池能够在复杂形状的基底上进行构建，实现了电池的个性化定制和高效集成。

2 柔性电极

柔性电池的关键组成部分包括电极、电解质、集流体和结构设计。柔性电极需具备良好的导电性、机械强度和柔韧性，常见的材料有碳基、金属氧化物、聚合物及其复合材料。柔性电极设计需平衡容量、导电性和柔韧性，以适应可穿戴和弯曲应用。

2.1 柔性锂离子电池的电极材料

柔性锂离子电池的电极材料面临着提高机械灵活性和能量密度的挑战。正极材料方面，研究人员提出将无机正极材料与柔性导电材料（如碳基材料）复合，或者采用柔性有机正极材料。在负极材料方面，石墨和碳基材料是主要选择。柔性锂离子电池的材料研究正朝着无机-碳基和有机-碳基复合方向发展，以提升电池的能量密度、循环寿命和柔韧性。未来的研究将着力于优化材料设计和合成方法，以实现高效能和长寿命的柔性锂离子电池。

2.2 柔性钠离子电池的电极材料

柔性钠离子电池电极采用柔性基底材料，具有优异的柔韧性和弯曲性，适应不同形状和曲面，成为储能装置中的关键组件。钠离子电池负极材料主要包括碳质材料、钛基材料、合金材料等，其中碳质材料因其低成本和良好电化学性能被广泛应用。石墨烯也因其优异的导电性和柔韧性成为理想材料，硫掺杂的石墨烯能提高电池的容量和稳定性。碳纳米管与石墨烯复合，形成的柔性电极展现出更高的电子传输效率和良好的循环稳定性。此外，有机聚合物如聚苯胺和聚吡咯等，也因其低成本和良好的电化学活性成为研究热点。金属基柔性电极结合金属的导电性和柔性基底，展现出良好的容量利用率和循环稳定性。

2.3 柔性锌离子电池的电极材料

柔性水系锌离子电池因其低成本、高安全性和环保特性，近年来广受关注，但能源密度和使用寿命问题依然制约其发展。电池容量衰减和循环寿命降低的主要原因包括正极材料的溶解与结构不稳定、锌负极的枝晶生长和腐蚀等问题。因此，亟需解决这些挑战以推动技术应用。

3 柔性电解质

柔性电解质以其卓越的柔韧性和离子传导能力，成为当前柔性储能设备中一个备受瞩目的关键组件。它的一项显著优势在于其高离子传导性，这一特性确保了即便在设备处于柔性状态时，电池仍能保持高效的工作性能。这种突破性的特性为可穿戴技术、柔性电子设备等新兴领域的发展注入了新的活力。此外，柔性电解质还展现出了良好的机械强度，使其能够自如适应各种曲面和形变条件。这种适应性使得储能设备能够无缝融入日常生活的多样化应用场景，例如柔性显示屏、智能服饰等。有机凝胶聚合物电解质和水凝胶电解质在柔性电池中的应用已经成为当前研究的热点领域，两者在提升离子导电性、柔韧性和机械强度方面均取得了显著进展。

3.1 有机凝胶聚合物电解质

柔性聚合物电解质需要具备高离子传导性、柔韧性和机械强度，以适应多变的使用环境并保证电池的良好性能。为了提升离子传导性，研究人员对聚合物电解质的化学结构进行了优化。通过引入耐高压的官能团，如硅氧烷基团，成功制备了耐高压的聚氧乙烯（PEO）基固态聚合物电解质，既提高了电化学稳定性，又保持了高离子电导率。除了电化学性能，有机凝胶聚合物电解质的力学性能同样重要。研究人员通过物理或化学方法增强聚合物的交联网络，或引入高强度填料来提升电解质的力学性能。

电解质与电极之间的界面稳定性是确保电池长期稳定运行的关键。为此，研究人员采取了分子拥挤策略，通过引入大分子或纳米粒子来抑制电解质与电极的副反应，进一步提升电解质与电极的界面稳定性。

研究人员正在开发具有高离子导电性和良好黏附性能的可拉伸弹性PEO基聚合物电解质。这些电解质能够在电池充放电过程中适应电极的体积膨胀与收缩，抑制锂枝晶的生长，防止电池短路，从而提升电池的安全性与循环稳定性。

3D打印技术在聚合物电解质的制备中展现出巨大的潜力。通过3D打印，研究人员可以精确控制电解质的形状和结构，设计复杂的几何形状，这不仅有助于提高电池的空间利用率，还能优化整体性能。

3.2 水凝胶电解质

凝胶电解质在保持高离子导电性的同时，具备了良好的柔韧性，能够根据储能设备的需求进行定制，满足不同形状和尺寸的应用要求，尤其在需要频繁弯曲、卷绕和折叠的场景中表现优异（图3（a））。

与传统的液态电解质相比，凝胶电解质材料在安全性方面具有显著优势。它们有效抑制电池中电解液渗漏，降低火灾和爆炸的风险，显著提升了电池的安全性和可靠性。此外，凝胶电解质的适应性强，能够满足可穿戴设备、智能纺织品、便携式电子产品等多样化的应用需求。

随着研究的深入，原位电解质策略被提出，以解决传统非原位水凝胶电解质在界面上的问题。为进一步提升水凝胶电解质的力学性能，研究者开发了多重网络水凝胶电解质，这些电解质通过化学交联和物理交联的结合，达到高强度、高柔韧性与高离子传导性的统一。此外，自愈合水凝胶电解质的开发为电解质的稳定性、寿命及安全性提供了新的解决方案（图3（b）~（c））。

图3 水凝胶电解质的力学性能展示

4 集流体

在柔性电池的设计与制造过程中，集流体作为电池中不可或缺的组成部分，起着至关重要的作用。集流体不仅需要提供电流的传导路径，还需具备优异的力学性能，保证电池在弯曲、拉伸等变形条件下仍能稳定工作。根据材料的不同，集流体可分为金属基集流体和碳基集流体两大类。

4.1 金属基材料

金属基集流体因其优异的导电性、良好的力学性能以及适宜的加工性，成为柔性电池中不可或缺的基础材料之一。金属基集流体的形式包括金属箔、多孔金属网/泡沫和金属线等，每种形式都有其独特的优势和局限，适用于不同类型的柔性储能装置。

4.1.1 金属箔

金属箔是最常见的金属基集流体材料之一，因其商业可用性、低成本和卓越的导电性而成为柔性电池中常用的电极集流体。金属箔通常采用铜、钛、不锈钢等金属材料，这些材料具有较高的导电性和机械强度，能够在电池的充放电过程中提供稳定的电流传导，并且在适当的表面处理下能够保持良好的电化学稳定性。然而，金属箔的高密度和刚性使其在柔性电池中的应用受到了一定的限制。

4.1.2 多孔金属网/泡沫

与金属箔的二维平面结构不同，多孔金属网和金属泡沫具有三维多孔结构，这一特点使其在柔性电池中具有独特的优势。金属网和泡沫材料通过编织或焊接金属丝、金属片等方式形成互连的多孔网络结构。这些材料不仅能够显著增加电极的比表面积，还能提供更多的活性位点，从而提高电池的充放电效率和能量密度。多孔金属网和金属泡沫具有较高的机械柔韧性和良好的导电性能，在经历弯曲、拉伸等形变时，能够有效维持电极的结构稳定性，避免活性材料脱落或结构破坏。这一特点使得多孔金属网和金属泡沫在柔性储能器件中展现出了极大的应用潜力，尤其在可穿戴设备等领域，具有较大的应用前景。但其刚性和较大的厚度仍然限制了它们在极限弯曲和拉伸情况下的应用。

4.1.3 金属线

一维金属线因其独特的形态和出色的机械柔韧性，在柔性电池中扮演着重要角色。金属线的直径通常较小，具备极高的纵横比，能够在较小的空间内实现电流的高效传导。金属线的灵活性使其成为柔性电池中理想的集流体选择之一，尤其在一些特殊应用领域，如纺织品集成和可穿戴设备中，金属线的柔性和可编织性使其成为电池设计的优选。金属线不仅具备良好的导电性能，还具有较高的机械强度和耐久性，能够适应电池在极限形变下的需求。尽管金属线在柔性电池中具有显著的优势，但其低能量密度仍然是限制其广泛应用的关键因素。

金属箔、多孔金属网/泡沫和金属线各自拥有独特的优势和适用场景，通过合理的材料选择和结构设计，可以有效提升电池的性能和稳定性。然而，金属基集流体的刚性、厚度和稳定性等问题仍然是当前技术发展的瓶颈。

4.2 碳材料

碳材料集流体在柔性电池中扮演着至关重要的角色，作为集流体，它直接影响电池的导电性、力学性能以及长期稳定性。

4.2.1 石墨烯及其衍生物

石墨烯是一种由单层碳原子通过sp²杂化成蜂窝状二维晶格结构的材料，具有超高的电导率、热导率和力学强度。同时，石墨烯在电池电极材料中具备极大的电荷存储能力。石墨烯还具有出色的拉伸强度和杨氏模量，这使得石墨烯成为构建柔性电极的理想材料，尤其是在柔性储能器件中，石墨烯能够确保电池在弯曲、拉伸或压缩的情况下依然保持高性能（图4）。

图4 用于柔性电池的石墨烯材料实物展示

石墨烯的制备方法多种多样，包括机械剥离法、化学气相沉积（CVD）法、化学还原法以及化学剥离法等。石墨烯及其衍生物（如还原氧化石墨烯）被广泛应用于柔性储能设备的电极设计中，能够实现高能量密度和长寿命。

4.2.2 碳纳米管

碳纳米管的电学性能与其结构类型和手性矢量有关。在不同的手性配置下，碳纳米管可以表现为金属型或半导体型。碳纳米管还拥有超高的杨氏模量，其值是钢的几倍，表现出优异的力学性能。碳纳米管的合成方法包括电弧放电法、激光烧蚀法和CVD法等。不同的合成方法会影响碳纳米管的质量、结构和性能。由于其良好的导电性和力学性能，碳纳米管能够提供稳定的电化学性能，特别是在可弯曲和拉伸的电池结构中。

4.2.3 碳纤维/碳纤维布

碳纤维（CF）是由碳原子构成的纤维状材料，具有轻质、高强度、高导电性等优异的性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。在柔性电池中，碳纤维由于其良好的力学性能和电导率，也成为了理想的电极材料。碳纤维布是由多根碳纤维编织而成的织物，具有较高的柔韧性和良好的电导性。在柔性电池中，碳纤维布不仅能够提供稳定的电流传输路径，还能够增强电池的力学性能。碳纤维和碳纤维布在柔性电池中主要作为电极的集流体材料。由于其优异的力学性能和较高的导电性，碳纤维基材料能够确保柔性电池在多次弯曲、拉伸或压缩后，仍然保持良好的电化学性能。

5 柔性电池结构设计

随着柔性储能器件在可穿戴设备和便携式电子产品中的广泛应用，柔性电池的设计要求日益严格。这些器件通常需要具备轻薄、可变形性、高循环寿命等性能，以满足容量保持率、电压输出稳定性和循环稳定性的要求。研究人员提出了如波浪结构、剪纸结构和岛桥结构等新的设计策略。这些结构设计通过有效地分散和缓冲变形过程中的应力，使电极能够承受更大的拉伸形变，从而实现更高的结构柔韧性，并提高柔性电池在实际应用中的性能和可靠性。

5.1 波浪结构

波浪结构是一种通过在电池电极材料中引入周期性弯曲几何形态，提高柔性和拉伸耐受性的设计策略。其基本特点是电极材料表面呈波浪状或弯曲形态，有助于缓解变形过程中产生的应力，分散外力并通过结构变形吸收和释放应力，从而显著提升材料在弯曲和拉伸下的稳定性（图5）。波浪结构在柔性电池中的应用主要体现在2个方面：一是提高电池电极材料的可拉伸性和耐久性，二是通过优化波浪形状的参数改善电池电化学性能并延长使用寿命。

图5 可拉伸柔性锂离子电池

5.2 岛桥结构

岛桥结构因其独特的应变局部化策略和优异的机械、电化学性能，逐渐成为柔性电池研究的热点。该结构通过在柔性基底上使用蛇形导电图案，将刚性活性物质（岛）与柔性、可拉伸的导电桥连接，实现柔性电池的高拉伸性和高效电化学性能。岛桥结构的创新之处在于通过将应变集中在柔性桥部分，最小化刚性岛区的变形，从而保持电池在高拉伸下的电化学稳定性。岛桥结构的设计关键在于合理布置“岛”和“桥”的几何形状以及选择合适材料。岛桥结构的成功设计不仅依赖于几何形状的优化，还需要选择合适的材料和制造工艺。

5.3 剪纸结构

剪纸结构是一种在柔性电池设计中日益受到关注的创新结构，其通过精细的几何图案设计，将导电材料与电池的其他功能性区域紧密集成，同时保持高度的柔性和可拉伸性。剪纸结构中的几何设计是实现其高柔性和高电化学性能的关键。在剪纸结构的制造工艺实现方面，通常采用激光切割、光刻、微纳米加工等技术进行精密加工。通过这些技术，可以在导电材料上实现高精度的几何图案切割和布局，从而形成具有优良拉伸性能和电化学性能的剪纸结构。

5.4 其他结构

随着柔性电池技术的不断发展，研究人员在电池结构设计中引入了更加创新的思路，尤其是通过拓展低维度结构（如一维、二维结构）到更高维度的复杂结构，以提升电池的拉伸性能及其他附加功能。这些结构的引入为柔性电池的设计提供了前所未有的可能性。

6 柔性电池的制造技术

在柔性储能设备的制造中，电极图案化技术至关重要，这通常通过沉积、印刷等方法将电极活性材料制备成纳米到微米厚度的固态薄膜。柔性电子器件的设计需要考虑基底材料的热稳定性、兼容性、一致性和大变形性等特性。目前，常见的印刷技术如表1所示。

表1 可用于柔性储能设备的印刷技术特点比较

6.1 喷墨打印法

喷墨印刷是一种非接触、数字化的印刷方法，能够高精度地在不同基底上制作图案。喷墨印刷有2种类型：连续喷墨和按需滴墨，后者具有更高的精度和可控性。喷墨印刷的关键在于墨水的物理特性，如黏度、表面张力和流变性能等。喷墨印刷广泛应用于柔性储能设备。尽管喷墨印刷具备高效和灵活的优势，但其也面临墨水配方和分辨率等挑战。

6.2 静电纺丝法

静电纺丝是一种制备纳米纤维的技术，能够生产具有高表面积的连续纳米纤维。静电纺丝已广泛应用于柔性储能器件，尤其在锂离子电池、超级电容器等电极材料中表现出显著优势。该方法的挑战主要在于需要控制纤维的结构和柔韧性，同时保持高能量密度。

6.3 丝网印刷法

丝网印刷是一种成熟的印刷技术，通过筛网将墨水沉积到基底上。它具有低成本、高效率和较好的精确性，适用于多种导电墨水和柔性基底。丝网印刷的关键在于墨水的黏度、网孔尺寸、刮板压力等参数，这些都直接影响膜的质量和电化学性能。丝网印刷广泛应用于柔性储能器件的制造，能够生产出具有良好机械柔韧性的电极材料。

6.4 转移印刷法

转移印刷是一种将图案从中介物（如印章）转移到基底上的技术，适用于复杂的柔性可拉伸电子器件的制造，特别适用于纳米材料如碳纳米管、石墨烯和MXenes的印刷，用于制造高性能的柔性储能设备。然而，转移印刷的成功实现依赖于界面黏附力的精确控制，且涉及的工艺较为复杂。

6.5 3D打印法

3D打印通过逐层沉积材料制造三维物体，具有高效、低材料浪费的优势，特别适合用于储能装置的制造。3D打印的优势在于能够制造具有复杂三维结构的电极，增加电极表面积并提升电化学性能。尽管如此，3D打印技术仍面临材料强度和力学性能的局限，未来需要进一步开发新材料和优化打印工艺。

6.6 其他柔性材料制备工艺

除了上述印刷技术，柔性储能器件的制备还包括传统的薄膜制备方法，如气相法、溶液法和光刻法等。各种图案化和印刷技术在柔性储能设备制造中各具优势，随着材料和技术的不断进步，这些方法将进一步推动柔性储能器件的性能提升和大规模生产的实现。

7 柔性电池的发展趋势

当前，柔性电池仍处于初期发展阶段，缺乏统一的性能评估标准。柔性电池的设计需要兼顾能量密度、安全性和稳定循环等多个要求。柔性电池的加工技术将有助于其快速规模化生产。目前，大多数原型柔性电池基于锂离子聚合物电池，因其高电压、大能量密度、长循环寿命和足够的灵活性，在柔性智能手机和可穿戴电子设备中备受青睐。

尽管柔性电池近年来取得了一定进展，但在制造技术、测试标准和成本竞争力方面，尚无法与刚性锂离子电池相比拟。未来，柔性电池的发展方向包括以下方面：（1）自愈和自修复技术；（2）高能量密度和高功率密度的柔性电池；（3）集成传感和能源收集的柔性电池；（4）绿色环保和可持续技术；（5）多功能复合材料；（6）人工智能和智能制造；（7）跨学科合作的重要性。

未来，柔性电池领域将向着更高能量密度、更长寿命、更绿色环保和更智能化的方向发展。跨学科的合作是推动这些技术进步的关键，只有通过不同学科的紧密合作，才能实现柔性电池技术的快速突破，并开辟新的应用领域，如智能健康监测、可穿戴技术、人工智能装备等。

本文作者：夏欢、章炜、孙正明

作者简介：夏欢，东南大学材料科学与工程学院，博士研究生，研究方向为水系锌离子电池；章炜（通信作者），东南大学材料科学与工程学院，副教授，研究方向为柔性储能材料与器件；孙正明（共同通信作者），东南大学材料科学与工程学院，教授，研究方向为能源与环境材料。

论文全文发表于《科技导报》2025年第1期，原标题为《2024年柔性电池研发热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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来源：科技导报