吴忠帅研究员、谢英鹏教授、王森副教授， ESM文章：卓柔性化、高面容量、高压单片集成固态微型电池

第一作者：朱玉

通讯作者：吴忠帅*，谢英鹏*，王森*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，沈阳化工大学，大连交通大学

传统的堆叠型锂离子微型电池，不能同时满足高容量、高电压输出和灵活性的标准，从而使它们不适合其预期的应用。因此，开发一种大规模的制造策略来构建具有卓越灵活性、高输出电压和优异面容量的单片集成固态锂离子微型电池是非常必要的。在这里，我们通过丝网印刷制备一种新型微型电池，能够在保持小体积的同时，显著提高能量密度、循环寿命和安全性，并降低环境影响。我们希望能够为微型电池领域提供一种高效、可持续的解决方案，从而推动其在便携式电子设备、物联网设备和医疗设备中的广泛应用。

基于此，来自中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员，沈阳化工大学的谢英鹏教授和大连交通大学的王森副教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“High-voltage Monolithically Integrated Solid-State Microbatteries with Exceptional Flexibility and Superior Areal Capacity”的研究性文章。该文章提供了可大规模制备集成化柔性固态微型电池的创新策略，同时满足微型电池的面容量需求化以及各组成部分的定制化需求。

图1. 一体化制备柔性高电压微型电池

设计了一种集成结构设计策略，使单个电池生产直接扩展到集成模块的制造，从而大大简化了制造过程，提高了整体效率，从而使单片集成的微型电池不仅将输出电压显著提高到12.5 V，而且保持了出色的灵活性。展示了单片集成锂离子微型电池在可穿戴电子产品中的应用，为其未来在柔性和可穿戴电子产品中的应用铺平了道路。

要点二：双向控制微型电池的面容量

得益于丝网印刷技术的通用性和可定制性，制作出了不同厚度和尺寸的微型电池，其最小器件尺寸为3 mm × 3 mm，最大面积容量为1431 μAh cm^-2，并且具有8000圈超长周期稳定性。通过大规模网印工艺策略，实现高性能微型电池的批量生产。

要点三：电极与固态电解质实现交互界面

开发原位热聚合固态电解质，设计网状分散式包裹离子液体电解质，实现电极与固态电解质交互界面，促进柔性固态微型电池的制造。通过合理设计具有高离子电导率和强键接附着力的柔性固态电解质，构建了超薄的固态柔性微型电池，其面积容量和循环稳定性与液体微型电池几乎一致。

要点四：前瞻

在5G时代，对柔性、可穿戴和可植入微电子的需求正在飙升，推动了对柔性、高容量、集成微型电池的迫切需求。传统的电池设计和制造策略无法满足这些综合要求，特别是在多双极电池集成的灵活性方面。在此，我们对电池的各个组件的柔韧性提出了高要求，特别是固态电解质以及它与阴极和阳极的接触界面，要求超薄固态锂离子微型电池表现出优异的机械柔韧性，在反复弯曲后性能不会下降。同时，这种可调电压的技术标志着电源管理的突破，并显示出未来柔性可穿戴电子产品的巨大前景。我们相信，我们创新的微加工策略对微型电极的发展将会是一个巨大的进步，最终将解放可穿戴电子产品的束缚，并促进高性能微设备的发展。

High-voltage Monolithically Integrated Solid-State Microbatteries with Exceptional Flexibility and Superior Areal Capacity.

吴忠帅研究员简介：中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，二维材料化学与能源应用研究组组长（508组），博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士。2018-2024年连续六年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、中组部引进海外高层次青年人才、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任。主要从事二维材料化学与微纳电能源化学的基础与应用研究，包括石墨烯与二维材料、微型储能器件与微能源系统、超级电容器、先进电池（锂/钠/锌离子、锂金属/硫/空、固态电池）和能源催化。

迄今为止，已在Nature、Nat. Commun.（6篇）、Energy Environ. Sci.（15篇）、Adv. Mater.（20篇）、Adv. Energy. Mater.（17篇）、Energy Storage Mater.（22）、J. Am. Chem. Soc.（8篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（10篇）、Natl. Sci. Rev.（7篇）、Sci. Bull.（6篇）、J. Energy Chem.（20篇）等期刊发表学术论文340余篇，被SCI引用44000余次（Google学术引用50000余次）；申请发明专利180余项，授权40余项。获国家自然科学奖二等奖（第四完成人，2017）、辽宁省自然科学奖一等奖2次（第四完成人，2017；第一完成人，2022）、第十三届辽宁青年科技奖、Nano Research新锐青年科学家奖（2020）、Energy Storage Materials青年科学家奖（2019）、中国科学院优秀导师奖（2021）、卢嘉锡优秀导师奖（2020）、中国科学院大学领雁银奖-振翅奖（2022）、中科院“百人计划”终期评估优秀（2018）等。获批国际标准1项、国家标准2项。兼任Energy Storage Materials副主编和Applied Surface Science副主编，J. Energy Chem.执行编委，Natl Sci. Rev.编辑工作组成员, Science Bulletin、科学通报、Nanomaterials、Carbon Futures、Mater. Res. Express、Energy & Fuel、Physics编委，Interdisciplinary Materials学术编辑，Chin. Chem. Lett.、eScience、Materials Futures、物理化学学报青年编委，Engineering通讯专家。

研究方向为二维材料化学与微纳电化学能源的应用基础研究。近期研究兴趣包括:

（1）石墨烯与二维材料的可控制备化学、独特性质及应用基础性研究，如二维材料能源化学（储能、表界面催化）、传感、光电、相变等；

（2）微纳电能源化学科学基础，研发微型电化学能源材料、微器件与微系统，构建高性能、功能化微型超级电容器、微型电池及其能源收集-储能-消耗集成微系统；

（3）高效电化学能源创新系统，包括全固态电池、超级电容器、锂离子电池、锂硫/锂空/锂二氧化碳、钠/锌/铝等新型电池；

（4）能源催化（电催化、热催化、环境催化），搭建二维模型能源器件，开展工况状态下电化学催化（ORR、HER、OER、CO₂RR、生物质电催化等）、储能动态反应过程与机理的原位研究，结合理论计算揭示电化学输运性质和反应机理。

课题组网页：www.zswu.dicp.ac.cn

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