纺织集成可穿戴储能设备：水凝胶纤维在水系柔性储能领域的最新进展
【研究背景】
水凝胶由于其具有高形状适应性、内在导电性、生物相容性、弹性以及对外部刺激的响应性等优异的性能，已成为水系柔性储能器件的潜力材料。在多种水凝胶形态中，一维水凝胶纤维因其高度取向的聚合物链所赋予的卓越机械柔韧性、轻量化特性和紧凑结构形式而受到越来越多关注。与三维块状凝胶和二维薄膜相比，这些优势使水凝胶纤维在水系柔性储能设备中具有更高的适用性。然而，现有综述多聚焦于水凝胶纤维的设计、合成及其在生物医学（如组织工程、伤口愈合）或传统有机柔性电子器件（如应变传感器、柔性致动器）中的应用，而针对水凝胶纤维基柔性储能设备的系统性综述尚属空白。为弥补这一不足，本综述首次全面聚焦水凝胶纤维在柔性储能设备中的最新进展，涵盖材料设计、制备策略、结构构型、器件集成及新兴应用方面，并总结了关键科学挑战与新兴跨学科机遇，为柔性、高性能与安全的水系储能设备开发提供了及时而系统的参考。
【文章简介】
近日，东南大学孙正明教授、章炜教授和水涛副研究员对水凝胶纤维在柔性储能设备中的最新进展进行了系统综述，内容涵盖材料设计、制备策略、结构构型、器件集成及新兴应用，并深入探讨了水凝胶纤维结构-性能-器件表现之间的内在联系，展现其在提升机械柔顺性、界面适应性和动态形变能力等方面的显著优势。分析表明，水凝胶纤维不仅可作为具备优异机械韧性的电荷传输载体，还为纤维状超级电容器、锌基电池以及潜在的非水系或有机储能体系开辟了新的研究路径。其在构筑一维离子/电子传输通道、增加电化学比表面积以及实现与软电子器件的无缝界面耦合等方面的独特能力，使其成为极具变革潜力的新型材料体系。该论文以“Textile-Integrated Wearable Energy Devices: Advances in Hydrogel Fibers for Aqueous Flexible Energy Storage”为题发表在国际知名期刊Materials Today（IF = 22）上，永乐高60net博士研究生王文康为该论文的第一作者，通讯作者为东南大学孙正明教授、章炜教授、水涛副研究员和华润建材科技控股有限公司景世青。
1.引言
水凝胶纤维基柔性储能器件示意图
一维水凝胶纤维因其高度取向的聚合物链、轻量化结构以及紧凑尺寸而表现出更优异的机械柔韧性，使其在水系柔性储能器件中具有独特优势。此外，水凝胶纤维可编织成多种能够适应复杂形变的柔性结构，其弯曲刚度与生物组织高度匹配。这种柔韧性使其能够契合柔性储能设备的尺寸需求，如超级电容器、锌离子电池和锌空气电池。这些器件能够在承受柔性电子典型机械形变的同时，保持高效的储能与能量转换性能，因此被认为是下一代储能解决方案的有力候选者。
水凝胶纤维在过去数十年间的发展
在21世纪初，水凝胶开始被探索用于能源相关应用，最显著的例子是作为柔性超级电容器的电解质。随着纤维状储能技术的不断发展，将水凝胶纤维引入能源器件的概念在2008年前后逐渐兴起，推动了柔性纤维状电容器和电池的研制。近年来，水系柔性储能器件的快速发展进一步凸显了水凝胶纤维作为新一代可穿戴和智能电子设备核心构建单元的巨大潜力。
2.材料类型和制造策略
水凝胶纤维制备方法的示意图
根据成形机理和纤维长度的不同，水凝胶纤维的制备方法可大致分为两类：间歇式方法和连续式方法。间歇式方法包括毛细管聚合、牵引纺丝和挤出纺丝等，可用于制备预设长度的水凝胶纤维。这些技术能够在无需将凝胶化过程与纤维成型过程耦合的情况下，实现对纤维尺寸的精确控制。连续式方法包括湿法纺丝、微流控纺丝、3D打印和静电纺丝等，通常结合交联策略以同步进行凝胶化和纤维成型。这种方式可实现纤维长度的可调节生产，不再受制于设备限制，可根据需要进行调整。
3.水凝胶纤维的设计原理及机理分析
水凝胶纤维基柔性储能设备设计原理示意图
水凝胶纤维的设计原则核心在于通过调控纤维形貌、组成及物理结构，实现性能的精准优化。前文所述的制备策略为调节水凝胶纤维结构提供了多样化途径，每种方法都会赋予纤维特定的微观结构特征，如聚合物链取向、交联密度、表面形貌及内部孔隙率。这些特征对机械强度、离子迁移率、水活性及聚合物结晶度等关键性能产生显著影响，并共同决定水凝胶纤维在柔性储能器件中的功能表现。有必要对纤维取向、聚合物结晶度、水活性和离子迁移率这四个关键参数进行系统分析，以揭示其内在的结构-性能-器件表现关系。这些认识不仅有助于优化离子电导率、防冻性能及机械耐久性，还为下一代基于水凝胶纤维的水系柔性储能系统的合理设计提供理论依据与实践指导。
4.水凝胶纤维基柔性储能设备的发展
基于水凝胶纤维的柔性储能设备结构示意图
基于水凝胶纤维的水系柔性储能器件通常具有三种主要结构形式：平行型、缠绕型和同轴型。这些配置通常遵循两种设计策略之一：直接使用水凝胶纤维作为电极或水凝胶纤维作为电解质，与导电聚合物或凝胶结合作为电极。无论架构如何，基于水凝胶纤维的水系柔性储能设备性能的关键取决于所有功能层的无缝集成，以及组装器件在实际机械和环境条件下的长期结构完整性和电化学稳定性。本节简要概述基于水凝胶纤维的超级电容器、锌离子电池及锌空气电池，为后续器件集成与功能优化的讨论奠定基础。此外，为了全面评估其应用潜力，有必要将其性能置于其他纤维基储能材料的背景下进行比较。因此本节简要回顾了其他纤维基储能技术的最新进展，并对其与基于水凝胶纤维的技术进行了对比分析。
5.当前挑战与未来展望
尽管基于水凝胶纤维的水系柔性储能器件取得了显著进展，但其实际应用和多功能集成仍受到关键科学问题和技术瓶颈的限制。本节系统讨论了目前仍然存在的问题，重点关注导电性与机械性能平衡、界面演化与失效机制、环境适应性以及器件关键集成等重大挑战。文章最后围绕该领域尚未解决的核心科学难题、技术瓶颈、新兴高性能应用需求以及推动其发展的跨学科研究路径对未来发展进行了深度展望。
6.致谢
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及国家航空科学基金的支持。
【文章信息】
Wenkang Wang, Xiangbing Zeng, Xiaoqiang Wang, Peng Xiao, Zhenzhong Tang, Shiqing Jing*, Wei Zhang*, Tao Shui*, ZhengMing Sun*. Textile-Integrated Wearable Energy Devices: Advances in Hydrogel Fibers for Aqueous Flexible Energy Storage. Materials Today (2025). 10.1016/j.mattod.2025.08.004.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.08.004