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可穿戴电子设备的崛起促使对柔性可充电电池的需求，传统锂离子电池因成本和能量密度等问题限制了应用。

可充电锌电池引起了关注，因锌具备高理论容量、稳定水性电解质中使用、丰富自然资源等优势，历史上锌被广泛用于电池系统。

柔性碱性锌电池因其稳定性、高能量密度、安全性，以及与柔性电子设备的兼容性被视为有潜力的能源解决方案，特别是在可穿戴技术中，此类方相关研究不断增加，为其应用提供更多可能性。

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正极柔性设计提升银锌电池性能

银锌（Ag-Zn）电池，最早于1941年问世，是一项相对成熟的技术，具备出色的能量密度和比能量，这种电池的正极反应涉及两个步骤，先是AgO还原为Ag2O，形成第一个电压平台（约1.85 V）。

然后将Ag2O进一步还原为Ag，形成第二个电压平台（约1.60 V），虽然AgO具有更高的理论容量，但其不稳定性和制备工艺的复杂性限制了其在电池中的应用。

金属银是柔性银锌电池最常见的正极材料，通常使用可印刷银油墨制备电池，这些油墨中的粘合剂会增加电极的电阻，导致比容量较低。

一种解决高电阻问题的方法是使用原位生长技术，如电沉积、化学镀和金属有机框架（MOF）方法，这些方法可以显著提高电池性能，增加容量和稳定性。

一维银纳米线（Ag NWs）也是潜在的正极材料，因其优异的电学和机械性能而备受关注，通过将银纳米线嵌入柔性电池中，可以实现高度可拉伸的电池，但容量通常有限。

最近的研究表明，通过提高活性材料的负载量，可以显著提高银纳米线电池的性能，原位生长的银纳米线也被证明是一种有潜力的正极材料，可以实现更高的容量和能量密度。

虽然AgO具有更高的理论容量，但其不稳定性在充放电过程中会导致不可逆的相变，影响电池的可充电性，为了提高AgO正极的稳定性。

一些研究引入了氧化铅等材料来改善电化学性能，印刷策略通常用于制备AgO阴极的电池，具备高容量和能量密度。

在柔性银锌电池的制备中，还引入了一些策略来提高电池性能，就比如，使用高弹性油墨和新型弹性粘合剂可以制备可拉伸的电池，具备可逆的面积容量。

通过引入保护层，如PEDOT:PSS，可以提高电池的循环性能，这些策略有助于改善银锌电池的电化学和机械性能，使其更适合柔性和可穿戴电子产品的应用。

尽管近年来银锌电池取得了令人满意的进展，但仍然存在一些挑战，银的不希望的迁移问题导致电池的长期稳定性有限。

银锌电池作为一种有潜力的能源存储解决方案，已经在柔性和可穿戴电子产品中展现出广阔的应用前景，尽管还存在一些技术挑战，但通过不断的研究和创新，银锌电池有望成为未来可穿戴储能系统的重要组成部分。

02

锌基电池的历史与优势

自1790年代首次出现锌基伏特电池以来，金属锌一直作为各种储能系统的阳极材料广泛应用，包括锌离子电池、碱性锌电池和锌空气电池等，锌具有丰富、低成本、环保和良好可逆性等优点。

所以在水性电解质中得到广泛应用，锌作为负极仍然存在一些未解决的问题，这些问题直接影响了锌基电池的性能，尤其是容量和循环寿命。

在碱性电解液中，锌负极面临四个主要问题，即枝晶生长、形状变化（溶解）、钝化和析氢，首先，锌在强碱性溶液中不稳定，与碱性溶液之间发生不可逆反应，逐渐生成锌氧化物（ZnO）和氢气（H2），导致阳极钝化和析氢现象的发生。

在充电和放电过程中，通常会观察到阳极形态的变化以及锌枝晶的生长，具体来说，锌阳极上的反应涉及锌材料在金属锌态和锌酸盐离子态之间的交换，从而导致锌基底表面形貌的演化。

因新沉积的锌更容易在已有的锌颗粒表面上生长，它在充放电循环中，平坦的表面逐渐演变为具有锋利边缘的不规则形状。

这是因为锌枝晶的生长所致，这些问题不仅会导致锌电池的电化学性能下降，包括容量下降和循环寿命缩短，还可能引发安全问题，如短路或电池膨胀等。

为了解决锌阳极的这些挑战，研究人员提出了多种策略，包括电极添加剂、薄膜涂层、电解质添加剂和流动电解质等。

这些策略可以划分为三类：结构设计、阳极添加剂和电解质辅助，这其中，凝胶电解质被认为是成功解决锌阳极问题的一种方法，但柔性碱性锌电池的性能仍然需要进一步提高。

锌作为阳极材料在储能系统中具有广泛的应用前景，但需要克服一系列挑战以实现高可逆性和长寿命的锌阳极。

03

优化锌阳极性能的结构设计

商用锌箔和锌丝一直是锌碱性电池最常用的阳极材料，可它们存在着一些缺陷，其中最主要的问题是促使表面锌枝晶形成，从而导致电池的循环寿命下降。

近年来研究重点集中在通过引入3D结构集电器来优化阳极性能，这里我们将介绍一些关键研究成果，以及它们如何改善了锌阳极的性能。

研究人员经研究表明，采用多孔织物作为基底，并在其上电沉积锌纳米片，可以显著抑制锌枝晶的形成。

相比于传统的锌箔阳极，这种多孔织物阳极具有更大的有效表面积和更均匀的电场分布，从而有效减少了锌枝晶的生成。

织物阳极还能够避免锌枝晶的尖锐几何形状引发的避雷针效应，因为电场在织物阳极中分布相对均匀，这种设计策略提高了锌电池的循环寿命和稳定性，还与理论模拟相一致。

类似的研究还显示，将锌电沉积到碳包覆的3D ZnO纳米棒骨架上可以有效抑制锌枝晶的形成，并提供更快的电子传输通道和更均匀的电场分布，这些3D结构阳极的性能明显优于传统锌箔阳极。

研究人员还采用了电化学阳极氧化方法，制备了TiO2纳米管阵列基板，并在其上电沉积锌。

实验结果表明，这种TiO2纳米管阵列结构可以有效限制锌以纳米颗粒的形式沉积，从而防止了不必要的锌枝晶生成，这种方法进一步证明了3D结构对锌阳极性能的积极影响。

那么除了采用3D结构集电器，一些电极添加剂也被引入以改善锌阳极的性能，碳基材料是最常用的电极添加剂，它们能够提供高表面积的导电网络，并减轻锌枝晶的体积膨胀和形状变化。

石墨烯网络的柔性性质还能够防止锌枝晶的生成，并提供更多的再生位点，从而提高了锌电池的循环稳定性，类似的策略也被应用于镍锌电池中，结果表明添加石墨烯能够显著提高电池的性能和稳定性。

一些研究人员还采用碳涂层和掺杂策略来改善锌阳极的稳定性，比如说，将碳涂层与锌阳极混合，碳不仅提供了连续的电子传导通路，还提供了机械支撑以减轻形状变化，还阻止了氢氧化锌的溶解，掺杂其他元素如锑后。

因其更高的电位，提高了电子传导率，同时有效抑制了析氢反应，这些策略的应用显著提高了锌阳极的循环寿命和稳定性。

通过采用3D结构集电器和引入适当的电极添加剂，锌电池的阳极性能得以改善，这些策略不仅有望提高锌电池的循环寿命和稳定性，还为锌电池在储能领域的广泛应用提供了更有希望的前景。

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锌基薄膜电池的机械性能改进

锌基平面电池是一种备受研究关注的电池系统，通常由两个相邻的微电极组成，它们位于同一基板上，这种电池的独特结构允许它们不需要隔膜，从而实现了电解质离子在两个电极之间的快速和多方向扩散。

因它们的小型化，这些电池很容易集成到可穿戴电子系统中，所以锌基平面电池引起了广泛的研究兴趣，并根据其电极图案可以分为薄膜电池和微电池两类。

在2012年，出现的第一个银锌平面电池，这个电池的制造过程包括将浆料印刷到玻璃基板上，以形成金集流体、锌电极和银电极。

然后在电极上方印刷碱性电解质，尽管这种电池存在柔韧性不足和相对较低的容量等问题，但它验证了全印刷锌基薄膜电池的可行性，为后续研究提供了基础。

随后许多研究人员尝试改善锌基平面电池的机械性能，使用纹身纸作为基材制备了薄膜电池，并使用PDMS密封电池，这种电池能够循环充电13次，即使在弯曲180 后仍能正常工作。

采用了纹身纸基材，这种薄膜电池可以轻松地被佩戴者佩戴，并可以重复使用，另一项研究通过使用热塑性聚氨酯（PU）基材以及新型SIS粘合剂制造了可拉伸薄膜电池。

这种电池在拉伸下能保持近100%的初始容量，并且电极在不同拉伸条件下均能保持良好的形貌和电导率，表现出优异的性能。

除了提高平面电池的机械性能，还有研究致力于将这些电池与其他电子系统集成，有研究人员还成功地将Ag-Zn薄膜电池组装成健康监测电子贴片，为电子贴片提供了稳定的能源，他们还将锌微电池制造在柔性塑料、纺织材料等不同基材上，以满足不同应用的需求。

还有一种可拉伸织物汗液激活电池，它使用人体汗液作为电解质，这种电池可以在出汗的情况下为可穿戴传感器供电，为监测和医疗应用提供了新的可能性。

结论

可穿戴电子设备的兴起推动了柔性可充电电池的需求增长，传统锂离子电池因成本和能量密度问题受限，这就使得可充电锌电池备受瞩目，其高理论容量、水性电解质使用和资源丰富等优势引人注目。

银锌电池和柔性碱性锌电池成为潜力解决方案，具备高能量密度、稳定性和兼容性，尤其在可穿戴技术中，研究不断提高它们的性能，包括正极设计、结构优化、电极添加剂和机械性能改进等，尽管仍面临挑战，但锌基电池有望成为未来可穿戴储能的重要一部分。