自柔性電子設(shè)備出現(xiàn)以來(lái)，“讓屏幕卷起來(lái)”就一直是人們所追逐的潮流。歷經(jīng)十余年的發(fā)展，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備更靈活地彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、壓縮和拉伸，以及有更舒適的體驗(yàn)，成為了人們的更高追求。

然而，這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最大瓶頸就是柔性儲(chǔ)能器件，比如柔性電池和電容等。哪些指標(biāo)可測(cè)量其柔性性能？達(dá)到怎樣的程度才是最優(yōu)性能？

“目前，科研人員研究并設(shè)計(jì)了多種柔性儲(chǔ)能器件，在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電化學(xué)性能穩(wěn)定性等方面取得了顯著的進(jìn)展，但如何測(cè)試和評(píng)估這些器件的‘柔性’和‘可穿戴性’成為擺在他們面前的難題。”香港城市大學(xué)教授支春義告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

支春義與團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)6年積累，首次全面比較和分析了常用的評(píng)估柔性儲(chǔ)能器件柔性的幾何參數(shù)，并提出“柔度”的概念來(lái)評(píng)估柔性儲(chǔ)能器件的可穿戴舒適性。相關(guān)成果日前發(fā)表在《焦耳》雜志上。

參數(shù)“任意”，不知何為“柔”

近年來(lái)，隨著電子電路、納米技術(shù)、材料、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性可穿戴電子設(shè)備被認(rèn)為是“未來(lái)電子產(chǎn)品的重要發(fā)展方向”。其以高柔性、輕薄、便攜、可植入、可穿戴等特點(diǎn)，受到不同行業(yè)和大眾消費(fèi)者的青睞。“這些柔性可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展離不開(kāi)高度靈活的儲(chǔ)能裝置，如柔性電池或者超級(jí)電容器等。”支春義表示，它們不僅要有與常規(guī)電源類似的高能量、高功率密度，還要具有強(qiáng)大的耐彎曲、耐沖擊甚至可拉伸性能，以滿足柔性電子設(shè)備在外力作用條件下的儲(chǔ)能需求。

過(guò)去，科學(xué)家們重點(diǎn)關(guān)注的是柔性儲(chǔ)能器件的材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電化學(xué)性能，并取得了一系列的成果。然而，對(duì)于這些器件的“柔性”和“可穿戴性”等性能卻鮮有人研究。

支春義指出，這使得該領(lǐng)域采用的柔性測(cè)試方法和參數(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，多種多樣，甚至很隨意，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和比較柔性儲(chǔ)能器件的性能，不利于這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，除了達(dá)到“柔”的基本目標(biāo)，“像衣服一樣柔軟舒適”是柔性儲(chǔ)能器件的終極目標(biāo)之一。“然而其穿戴舒適性幾乎很少被研究過(guò)，通常被忽略。”支春義說(shuō)。

“柔度”告訴你有多“柔”

研究人員首先通過(guò)彎曲耐受性測(cè)試評(píng)估電子設(shè)備的“柔性”。彎曲角度、彎曲半徑和器件長(zhǎng)度是評(píng)估柔性儲(chǔ)能器件彎曲耐受性的常用參數(shù)。如何進(jìn)行判定？研究人員給出了這3個(gè)獨(dú)立參數(shù)有效性測(cè)定方法：當(dāng)彎曲角度、彎曲半徑固定時(shí)，器件長(zhǎng)度可以不同。類似的，當(dāng)彎曲半徑和器件長(zhǎng)度保持不變時(shí)，彎曲角度也可以改變，最終形成不同的應(yīng)力區(qū)域。結(jié)果表明，當(dāng)受力區(qū)域確定時(shí)，較長(zhǎng)的器件可能受到彎曲的影響較小。同時(shí)研究人員構(gòu)建了兩種不同材料系統(tǒng)的柔性儲(chǔ)能器件，分別是可充電Zn/MnO2電池和基于聚吡咯的對(duì)稱超級(jí)電容器，并比較了它們?cè)诓煌瑥澢鷧?shù)下的容量或電容保持率，從而揭示3個(gè)參數(shù)分別會(huì)產(chǎn)生哪些影響。“通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，彎曲測(cè)試中，這3個(gè)幾何參數(shù)對(duì)柔性儲(chǔ)能器件的電化學(xué)性能變化都具有很大的影響。因此，我們建議在電子設(shè)備進(jìn)行彎曲耐受性測(cè)試時(shí)，3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)都應(yīng)注明以方便不同研究者進(jìn)行比較。”支春義說(shuō)。其次，是測(cè)試柔性儲(chǔ)能器件可穿戴舒適性。研究人員首次提出了“柔度”的概念，他們根據(jù)皮革領(lǐng)域中常用的柔軟度評(píng)估方法（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO17235），將“柔度”作為儲(chǔ)能器件的柔軟度參數(shù)。支春義告訴記者，柔性儲(chǔ)能器件的柔度可以用市售的皮革和織物柔軟度測(cè)試儀來(lái)評(píng)估，較大的延伸量意味著更好的柔度，這是一種易于實(shí)施的方法。“希望該方法能幫助相關(guān)研究者和企業(yè)更好地評(píng)估柔性儲(chǔ)能器件的可穿戴性能。”

實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，柔度與活性材料層的厚度密切相關(guān)，采用不同的柔性集流體和不同的電極片制備方法都會(huì)導(dǎo)致完全不同的器件柔度。因此儲(chǔ)能器件在提供高容量的同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的更厚的活性材料層也會(huì)犧牲器件的部分柔度。支春義建議，設(shè)計(jì)柔性儲(chǔ)能器件尤其是高容量的柔性儲(chǔ)能器件時(shí)，研究者應(yīng)提供柔度信息來(lái)保證公平性。值得一提的是，以往的可拉伸儲(chǔ)能器件實(shí)驗(yàn)研究中，儲(chǔ)能器件拉伸后的殘余應(yīng)變問(wèn)題常被忽略。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有的材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可拉伸儲(chǔ)能器件的殘余應(yīng)變是顯著存在的。

標(biāo)準(zhǔn)助力柔性儲(chǔ)能器件“更上一層樓”

柔度是柔性儲(chǔ)能器件性能的重要指標(biāo)，而統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)有助于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。“在此之前，國(guó)際上尚未對(duì)‘標(biāo)準(zhǔn)’問(wèn)題有過(guò)較為系統(tǒng)全面的討論。”支春義說(shuō)，“希望該研究能啟發(fā)相關(guān)研究人員的思考與探索，建立一個(gè)統(tǒng)一可接受的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估柔性儲(chǔ)能器件的柔性、可拉伸性和穿戴舒適性，促進(jìn)柔性儲(chǔ)能器件在材料選擇、電解質(zhì)設(shè)計(jì)和評(píng)估方法等各方面的發(fā)展。”據(jù)了解，下一步，研究人員將進(jìn)一步優(yōu)化評(píng)估測(cè)試方法，細(xì)化和完善后拓展到其他類型的柔性儲(chǔ)能器件，以期推動(dòng)柔性儲(chǔ)能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化。