先进储能科学技术与工业应用丛书--柔性储能材料与器件

《柔性储能材料与器件》一书以柔性储能技术的发展脉络为主线，系统介绍了柔性储能器件的基本概念、发展历程、核心构件、典型结构、关键材料体系及其制备与应用策略。全书内容涵盖柔性锂离子电池、锂硫电池、多价金属离子电池（金属-空气电池）与柔性超级电容器等主流器件类型，重点论述了柔性电极、电解质、集流体、封装材料的设计原则及柔性化实现路径，系统梳理了器件在可穿戴电子设备、智能医疗、柔性显示等场景下的最新应用进展与未来发展方向。
本书立足柔性电子与能源材料交叉前沿，内容翔实、数据充分，兼具理论深度与应用广度，既反映了当前的研究热点，也总结了可借鉴的工程实践经验。全书逻辑清晰、图文并茂，适合作为科研工作者开展柔性储能器件设计与性能优化的参考资料。
本书可供从事材料科学、能源工程、电子信息、化学化工等相关领域的科研人员、工程技术人员参考使用，也适用于高等院校材料、能源、电子等相关专业本科生与研究生的教学与学习需要。

章炜
东南大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，毕业于加拿大滑铁卢大学。主要从事水/气凝胶功能化设计、改性及其在储能材料与器件的应用。近年来面向可穿戴电子器件变革性突破的国家重大需求，围绕柔性储能器件的本征安全与被动防护关键技术与应用，着力于研究柔性电极-电解质的力学匹配机制及界面演变规律的科学问题。共发表第一作者/通讯作者论文100余篇，其中高被引论文29篇，他引8000余次。主持国家重点研发计划，国家自然科学基金面上、青年科学基金，航空科学基金等项目，获教育部“长江学者奖励计划”青年学者，中国材料研究学会青年科技奖、中国建材联合会科学技术进步奖一等奖、江苏省教学成果二等奖、江苏省科技进步奖三等奖、英国皇家化学会全球TOP 1%高被引科学家等荣誉，担任Research、Nano-Micro Letters等期刊青年编委。

柔性技术被评为2023年的十大新兴技术，随着可穿戴设备、智能家居和移动电子的兴起，对柔性储能技术的需求迅速增加。目前，国际上已经涌现出许多关于柔性储能技术的研究成果和商业应用。从智能手表到智能衣物，从移动电源到医疗监测器件，柔性储能技术正在各个领域发挥着关键作用。本书全面介绍了柔性储能领域的前沿知识和创新技术，为读者揭示了未来能源存储的多彩图景。 ★柔性储能的定义与特性、发展历程与现状 ★柔性储能器件工作原理、器件结构、表征方法 ★柔性基地与封装 ★柔性结构与设计 ★柔性锂离子电池与锂硫电池 ★柔性多价金属离子电池：柔性锌离子电池、柔性镁离子电池、柔性铝离子电池 ★柔性金属空气电池：柔性锂空气电池、柔性锌空气电池、其他柔性金属-空气电池 ★柔性超级电容器：柔性纤维状超级电容器、柔性薄膜超级电容器、柔性微结构超级电容器 ★柔性储能器件的应用：消费电子类设备的应用、医疗设备中的应用、应用领域的挑战与展望

近年来，随着智能穿戴设备、柔性显示、可植入医疗器械和物联网等前沿技术的迅速发展，柔性电子技术正逐步渗透到人们生产生活的各个领域。柔性储能器件作为其关键配套支撑，受到了广泛关注。相比传统刚性电池，柔性储能器件具备轻薄、可弯折、可拉伸等特性，能够满足新一代电子器件对电源系统形态、能量密度、安全性与可靠性的综合需求。
我国高度重视柔性储能技术的发展，先后出台多项政策予以支持。《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，到2025年，新型储能将由商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件，电化学储能技术性能进一步提升，系统成本降低30%以上。《“十四五”能源领域科技创新规划》强调，针对电网削峰填谷、集中式可再生能源并网等储能应用场景，开展大容量长时储能器件与系统集成研究，研发钠离子电池、液态金属电池、钠硫电池、固态锂离子电池、储能型锂硫电池、水系电池等新一代高性能储能技术。
本书紧密围绕柔性储能器件的研究热点与技术难点，系统介绍了多种柔性电池与超级电容器的材料设计、结构构建、性能调控、制备工艺和典型应用。内容覆盖柔性锂离子电池、锂硫电池、多价金属离子电池（金属-空气电池）与柔性超级电容器等主流器件类型，重点论述了柔性电极、电解质、集流体、封装材料的设计原则及柔性化实现路径，系统梳理了器件在可穿戴电子设备、智能医疗、柔性显示等场景下的最新应用进展与未来发展方向。
本书由章炜、张腾飞、余学斌、孙正明等共同著写。其中，第1～3章由章炜著写，第4～6章由张腾飞著写，第7～8章由余学斌著写，第9章由孙正明著写，最后全书统稿由孙正明统筹完成。在此，笔者衷心感谢在资料搜集、文献整理和图表绘制过程中给予大力协助的课题组成员及相关同行专家，名单如下：张涵凝、徐刚、夏欢、谢谦、张浩宇、王文康、王丰仪、范文婷、吕蓥彤、尹思涵、王艺娇、金秀影、贺文杰、李治纲、徐伟等。
限于著者水平和著写时间，书中难免存在不足与疏漏之处，恳请广大读者批评指正，以期不断完善。

章炜　张腾飞　余学斌　孙正明
2025年6月

第1章 绪论绪论	1
1.1 柔性储能的定义与特性	1
1.1.1　力学性能	1
1.1.2　电化学性能	2
1.2 柔性储能的发展历程与现状	2
1.2.1　柔性碱金属离子电池	3
1.2.2　柔性多价金属离子电池	7
1.2.3　柔性金属-空气电池	9
1.2.4　柔性超级电容器	11
1.3 柔性储能的发展趋势	13
参考文献	15

第2章 柔性储能器件概述	19
2.1 工作原理	20
2.1.1　超级电容器	20
2.1.2　二次电池	26
2.1.3　空气电池	31
2.2 器件结构	32
2.2.1　三明治型结构	33
2.2.2　平面叉指结构	38
2.2.3　纤维结构	41
2.3 表征方法	46
2.3.1　电极性能表征	46
2.3.2　电解质性能表征	49
2.3.3　器件性能表征	50
参考文献	57

第3章 柔性基底与封装	63
3.1 柔性基底	63
3.1.1　柔性电极基底	64
3.1.2　柔性隔膜	75
3.1.3　柔性电解质基底	78
3.2 柔性封装	81
3.2.1　铝塑膜	81
3.2.2　硅胶	82
3.2.3　其他封装材料	83
参考文献	83

第4章 
柔性结构与设计	89
4.1 柔性结构	89
4.1.1　波浪结构	90
4.1.2　岛桥结构	92
4.1.3　剪纸结构	97
4.1.4　其他结构	99
4.2 制备工艺	101
4.2.1　喷墨打印法	102
4.2.2　静电纺丝法	106
4.2.3　丝网印刷法	109
4.2.4　转移印刷法	113
4.2.5　3D打印法	116
4.2.6　其他柔性材料制备工艺	120
参考文献	125

第5章 柔性锂离子电池与锂硫电池	131
5.1 柔性锂离子电池	131
5.1.1　电极材料	132
5.1.2　电解质材料	144
5.1.3　器件设计	149
5.2 柔性锂硫电池	150
5.2.1　电极材料	151
5.2.2　电解质材料	161
5.2.3　器件设计	164
5.3 其他柔性碱金属离子电池	167
5.3.1　锂硒电池	167
5.3.2　锂碲电池	169
5.3.3　钠硫或钠硒电池	170
参考文献	171

第6章 柔性多价金属（锌、镁、铝）离子电池	177
6.1 柔性锌离子电池	177
6.1.1　电极材料	178
6.1.2　电解质材料	181
6.1.3　器件设计	182
6.2 柔性镁离子电池	188
6.2.1　电极材料	188
6.2.2　电解质材料	190
6.2.3　器件设计	192
6.3 柔性铝离子电池	194
6.3.1　电极材料	194
6.3.2　电解质材料	199
6.3.3　器件设计	199
参考文献	201

第7章 柔性金属-空气电池	207
7.1 柔性锂-空气电池	207
7.1.1　电极材料	209
7.1.2　电解质材料	218
7.1.3　器件设计	222
7.2 柔性锌-空气电池	224
7.2.1　电极材料	226
7.2.2　电解质材料	237
7.2.3　器件设计	239
7.3 其他柔性金属-空气电池	245
7.3.1　铝-空气电池	245
7.3.2　钠-空气电池	249
7.3.3　镁-空气电池	250
7.3.4　共晶镓铟液态金属-空气电池	251
参考文献	252

第8章 柔性超级电容器	258
8.1 柔性纤维状超级电容器	259
8.1.1　结构特征及特性	259
8.1.2　纤维电极设计	262
8.1.3　柔性器件设计	266
8.2 柔性薄膜超级电容器	268
8.2.1　结构特征及特性	268
8.2.2　薄膜电极设计	269
8.2.3　柔性器件设计	276
8.3 柔性微结构超级电容器	279
8.3.1　结构特征及特性	279
8.3.2　微结构电极设计	281
参考文献	284

第9章 柔性储能器件的应用	290
9.1 柔性储能器件在消费电子设备中的应用	290
9.1.1　手机/电子书	290
9.1.2　可穿戴设备	292
9.2 柔性储能器件在医疗设备中的应用	301
9.2.1　运动监测	301
9.2.2　体液监测	303
9.2.3　环境气体监测	304
9.2.4　智能牙套	304
9.3 柔性储能器件在应用领域的挑战与展望	306
9.3.1　应用局限	306
9.3.2　发展方向	307
参考文献	308

附录	312

缩略语汇总