科学网—南通大学麻伍军&东华大学朱美芳院士等综述：光辅助柔性储能器件的进展、挑战与未来方向
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2026-10-26 11:12
| 系统分类: 论文交流
Photo-Assisted Flexible Energy Storage Devices: Progress, Challenges, and Future Prospects
Xupu Jiang, Ting Ding, Rui Wang, Wujun Ma*, Chuntao Lan*, Min Li*, Meifang Zhu
Nano-Micro Letters (2026)18: 112
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01964-
1. 光‑电化学集成机制： 系统梳理光辅助柔性储能器件从机理到器件的完整技术链条，将光转换机制与电化学储能机制集成于柔性可穿戴体系，阐明光响应机制与机械‑电化学耦合效应的相互作用规律。
2. 器件体系分类比较： 在统一框架内对柔性光辅助储能系统进行分类比较，覆盖光辅助超级电容器至锂基、锌基等多种金属电池体系，明晰各体系的共性与差异。
3. 界面材料设计策略： 总结面向光响应储能界面的先进材料设计策略，涵盖异质结构工程、掺杂改性、表面修饰与纳米结构调控等路径，为电极材料选择与优化提供系统参照。
研究背景
可穿戴电子产品的快速普及对储能器件提出了柔性化、轻量化与自供电化的新要求。传统刚性电池难以在动态形变下保持稳定输出，而柔性储能器件在追求机械柔性的同时，还面临能源供给的约束。光辅助储能技术将光电转换与电化学储能集成为一体，通过光生载流子驱动电化学反应，实现“光能收集—原位储能”的一体化，为摆脱外部电源依赖、构建自供电可穿戴系统提供了新的技术路径。自2004年首个双电极光驱动电容器问世以来，光辅助储能器件经历了从光辅助超级电容器(如NPC@Cu₂O电极实现782 F/g的比电容、较暗态提升37.9%)到三电极光辅助锂-氧电池、锂-碘太阳能液流电池、 锂-硫电池 、可充锌空气电池及金属-二氧化碳电池等体系的持续演进。然而，将光辅助技术引入柔性体系仍面临三大核心挑战：一是在动态形变下维持稳定的光电化学性能；二是在循环机械应力下保持界面与电极结构稳定；三是实现光管理、能量存储与柔性架构的系统级集成。这些问题使得柔性光辅助储能器件的设计原则与刚性器件存在本质差异，亟需对相关研究进展进行系统梳理，并对未来发展方向作出前瞻性分析。
内容简介
针对柔性光辅助储能器件在材料选择、机制理解与器件集成方面的关键瓶颈， 南通大学麻伍军、兰春桃、李敏团队联合东华大学 朱美芳 院士 系统总结了光辅助柔性储能器件的研究进展、挑战与未来方向。文章首先阐述光辅助储能的工作原理，剖析柔性体系中光致电荷产生、载流子调制与光热效应同机械形变之间的耦合关系；继而从金属氧化物与硫化物、二维MXenes、有机光敏材料及 有机框架材料 四类体系梳理电极材料的最新进展；随后归纳掺杂改性、表面修饰与界面工程、异质结构工程、形貌调控与纳米结构、复合材料策略五类性能增强设计原则；最后面向光辅助超级电容器、锂基电池、锌基电池等典型器件，剖析当前在转换效率、长期稳定性、机械柔性与标准化评价方面的瓶颈，并提出机械鲁棒性光吸收材料设计、创新电荷/能量转换技术、可穿戴应用拓展及专项标准建立等未来研究方向，为光辅助柔性储能器件走向实用化提供了系统框架。
图文导读
I 工作原理：光-电-化学协同与柔性机-电耦合
光辅助储能的本质是将光能转化为电化学储能驱动力，其核心机制包括光电化学过程与光热效应：前者由半导体吸收光子产生电子-空穴对，光生电子与空穴分别参与还原与氧化反应，为电极充放电提供额外的电荷来源；后者通过光能向热能的转化提升局部温度，加速离子扩散并降低界面阻抗(图1)。在柔性体系中，机制之间的相互作用更为复杂：机械形变会同时改变光子入射条件与吸收效率、电荷传输路径、电解质分布与离子传输行为以及电极动力学与界面电容状态。文章以“机械-电化学耦合”为核心视角指出，应变不仅影响结构完整性，还可通过 压电光电子效应 与能带调控改变光生载流子的分离与输运，拉伸、弯曲等形变在器件层面的影响需以系统化框架加以理解与设计，而非将机械性能与光电化学性能割裂考虑。
图 1. 光电化学 过程与光热效应原理示意图 。
II 柔性光辅助储能的电极材料
2.1 金属氧化物与硫化物：光响应电极材料的基础体系
金属氧化物凭借化学稳定性好、成本低、光响应能力强等优势，是光辅助储能电极材料研究最广泛的体系之一，其中TiO ₂ 基材料尤为突出。通过氧空位工程(Ov-TiO ₂ -T)可拓宽可见光响应范围并提升光生载流子分离效率(图2)；Ni-CeO ₂ 体系被用于光辅助CO ₂ 甲烷化反应，展示了光能驱动气体小分子转化的潜力(图3)；VO ₂ /ZnO构筑的锌离子光电池可直接在光照下完成光充电过程(图4)；Co ₃ O ₄ 与TiO ₂ 组成的光辅助系统则揭示了光照下充电与放电过程中电极反应的完整机制(图5)。金属硫化物(如MoS ₂ 、CdS等)带隙可调、可见光响应强，MoS ₂ 纳米片可直接生长于ZnO包覆碳纤维表面，通过紫外-可见吸收光谱与 Tauc图 可定量评估其光响应窗口(图6)。文章指出，多金属硫化物导电性显著优于单金属硫化物，并系统提出克服其机械脆性的策略：纳米结构化、界面工程、组分调控、在柔性导电基底(碳布、碳纤维、柔性金属箔)上直接生长以及与柔性聚合物复合，从而在保持光电化学活性的同时获得形变耐受能力。
图2. 氧空位工程TiO ₂ (Ov-Ti O ₂ -T)的制备流程与光辅助反应机理。
图3. Ni-CeO ₂ 的光辅助CO ₂ 甲烷化性能与反应机理。
图4. VO ₂ /ZnO锌离子光电池的光充电机制与恒电流放电曲线。
图5. Co ₃ O ₄ 暗态行为与TiO ₂ 光辅助系统充电/放电机制。
图6. ZnO包覆碳 纤维上生长的Mo S ₂ 纳米片及其UV-Vis吸收 光谱 与Tauc图。
2.2 MXenes：二维材料平台与光辅助电荷调控
二维材料凭借平面结构与本征机械柔性，为柔性光辅助储能提供了变革性平台。MXenes兼具金属级导电性、可调能带结构、光学透明/吸收特性与优异热导率，其中 Ti 3 C 2 T x 是研究最深入的体系，其层状结构、表面官能团与金属导电性使其在柔性光辅助储能中具备多重优势：二维层状结构可容纳弯折拉伸，金属导电性保证形变下电荷传输，表面功能化与插层化学可调光电化学性质。以氮掺杂碳点(NCDs)修饰的Ti 3 C 2 T x 混合纤维构筑的光辅助充电纤维超级电容器(NM2P1)在光照下 实现1445 F/cm ³ 的体积电容，较暗态(1 063 F/cm ³ )提升35 .9%，并兼 具18.75 mWh/cm ³ 的能量密度与8382 mW/cm ³ 的功率密度；其机理表明，光生电子可增强H ₃ O ⁺ 在 Ti 3 C 2 T x 层间的静电插层效率，而该表面电荷修饰机制不改变结构，可在反复形变循环中稳定发挥作用。Nb 2 CT x 基光充电锌离子电容则进一步拓展了MXenes在柔性自供电器件中的应用(图7)。
图7. NCDs修饰Ti 3 C 2 T x 纤维(NM2P1)光辅助充电超级电容器与Nb 2 CT x 基光充电锌离子电容。
2.3 有机光敏材料：碳点与导电聚合物的柔性光响应
有机光敏材料凭借本征柔韧性、可溶液加工与宽光谱吸收能力，成为构筑柔性光辅助电极的重要选项。碳点(CDs)尺寸小、毒性低、光吸收范围宽且具有上转换发光特性，高温处理后的OPC-CDs-700仍能在多孔碳载体上均匀分布，并展现出稳定的光辅助充放电行为(图8)。导电聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、PEDOT等)兼具电化学活性与机械柔韧性，可通过与光敏材料复合形成既吸光又储能的柔性电极。文章指出，碳点与导电聚合物的引入不仅带来光响应增益，更重要的是为电极提供了有机组分的形变缓冲能力，与刚性无机光敏材料形成互补，是柔性体系“光响应—储能—柔性”三重要求协同满足的关键材料路径之一。
图8. OPC-CDs-700碳点的TEM/HRTEM形貌与恒电流充放电性能。
2.4 有机框架材料：MOFs、COFs与钙钛矿的可设计结构
有机框架材料以高度可设计的孔道结构与明确的光敏构筑单元，为光辅助储能电极提供了“结构—功能”一体化的平台。金属-有机框架(MOFs)可通过金属节点与有机配体的组合实现光吸收与电化学活性的协同，Fe/Ti/Zr-MOF被用作光辅助电池阴极并展示出稳定的恒流放电行为(图9)；共价有机框架(COFs)凭借共价键合的稳定骨架与可编程孔道，在保持结构完整性 的同时实现光生载流子的高效传输；钙钛矿材料则以强光吸收与长载流子寿命著称，其无铅化(如Cs ₂ SnI ₆ )与柔性集成路线正受到广泛关注。文章强调，有机框架材料的结构可设计性使其能够从分 子层面匹配光谱响应与离子存储需求，是连接材料设计策略与柔性器件性能的重要桥梁。
图9. Fe/Ti/Zr-MOF的合成过程与恒流放电曲线。
III 性能增强设计策略：掺杂、界面、异质结构与形貌调控
在电极材料基础上，文章系统归纳了五类性能增强设计策略。掺杂改性通过元素掺杂与氧空位工程调节能带结构与载流子浓度，拓展可见光吸收并抑制复合；表面修饰与界面工程通过钝化缺陷、构筑界面层与能级匹配，降低光生载流子在界面的损耗，提升电荷选择性提取效率 ；异质结构工程利用不同半导体间的能带匹配构筑内建电场，实现光生电子-空穴对的空间分离(如Fe ₂ O ₃ /Co ₃ O ₄ 异质结构，图10)；形貌调控与纳米结构通过纳米线、纳米片与分级结构增大比表面积、缩短离子扩散路径；复合材料策略则将光敏材料与柔性导电基底、聚合物基 体复合，在增强光谱响应的同时赋予电极机械鲁棒性。这五类策略相互关联、层层递进，共同构成从“吸收光子”到“稳定储能”再到“耐受形变”的完整优化链条。
图10. Fe ₂ O ₃ /Co ₃ O ₄ 异 质结构的形成过程与协同增效机理。
IV 光辅助柔性储能器件
4.1 光辅助柔性超级电容器：从纤维结构到自供电设计
超级电容器是光辅助柔性储能中发展最成熟的器件形态。在电极维度，石墨烯/碳纳米纤维@聚苯胺(GE/CNFs@PANI)非对称纤维超级电容器实现了高体积电容与面积电容的协同(图11)；在器件维度，自供电光辅助超级电容器通过光充电-放电机制，将光能直接转化为电容储能，无需外部电源即可完成充电(图12)；在电极-光催化耦合维度，pCZCS体系将光催化活性与电容储能相结合，展示了“光电化学充电”与“电容放电”一体化的工作模式(图13)。这些进展表明，光辅助超级电容器正在从单一电极材料的性能优化走向器件级的光-电-化学耦合设计，为可穿戴电子提供快速充电、柔性适配的自供电储能方案。
图11. GE/CNFs@PANI非对称纤维超级电容器的体积电容与面积电容。
图12. 自供电光辅助超级电容器的光充电-放电机制与CV对比。
图13. pCZCS光辅助超级电容器的结构、光催化活性与GCD曲线。
4.2 光辅助柔性锂电池：锂-氧、锂-二氧化碳、锂-硫与锂-氮体系
锂电池体系是光辅助柔性储能的重要前沿，文章按锂-氧、锂-二氧化碳、锂-硫与锂-氮四类逐一解析。锂-氧电池方面，TiO ₂ /Fe ₂ O ₃ 复合阴极(TF/CC)通过光照驱动氧电极反应，显著降低充电过电位(不同电流密度下电压差由0.91 V降至0.19 V)，并能点亮“hybrid”标识展示实际应用潜力；FeNi-TCPP等分子光催化剂则通过光物理过程调控ORR/OER路径(图14)。锂-二氧化碳电池方面，CoPc-Mn-O二维材料与rGO复合后作为阴极，光照下二氧化碳还原反应(CRR)与析出反应(CER)的过电位显著降低，能级分析表明光生载流子有效参与Li ₂ CO ₃ 的生成与分解(图15)。锂-硫电池方面，PHK(MOF衍生物与CsBr/PbBr ₂ 反应制得)、3D分级石墨烯/纳米硫/聚苯胺(3DHG/NS/CPANI)以及CdS-TiO ₂ /CC、Au@N-TiO ₂ /CC等光敏正极，通过光催化转化多硫化物、降低极化，实现更高的比容量与循环稳定性(图16、1 7)。锂-氮电池方面，Au纳米颗粒负载氮空位氮化碳(Nv-C ₃ N ₄ )光阴极在光照下实现6Li+N ₂ →2Li ₃ N 的固氮反应，光场下多重作用力协同弱化N≡N键，突破无光条件下单电子作用的局限，光照下电池电压稳定性显著提升(图18)。文章指出，光照不仅降低各类锂电池的过电位与极化，还赋予其“光充电”能力，是构筑自供电储能系统的关键器件路径。
图14. TF/CC阴极光辅助锂-氧电池的制备、机理、性能与FeNi-TCPP光催化机制。
图15. CoPc-Mn-O光辅助锂-二氧化碳电池的器件结构、能级原理与循环性能。
图16. 光辅助锂-硫电池结构、PHK合成与3DHG/NS/CPANI制备流程及倍率性能。
图17. CdS-T iO ₂ /CC与Au@N-TiO ₂ /C C光辅助锂-硫电池的制备、机理与电化学性能。
图18. 光辅助锂-氮电池的结构 、Nv-C ₃ N ₄ 光阴极 反应与氮气活化机制。
4.3 光辅助柔性锌电池及其他体系：从可拉伸构型到多金属拓展
锌基电池凭借锌资源丰富、水系电解液安全等优势成为光辅助柔性储能的重要方向。可拉伸可再充电锌空气电池(SRZAB)将触觉响应与光响应机制结合，通过紫外光与太阳能驱动ORR/OER循环，PEDOT-PEO导电聚合物电极与pTTh光阳极在充放电过程中实现光生电子-空穴的定向迁移，能级匹配分析表明光激发可有效促进氧反应动力学(图19a-f)；器件采用医用织物、复合阴极基底与锌片构成柔性层状结构，在45°、90°、135°弯折乃至折叠后电压保持稳定，展现出优异的机械鲁棒性(图19g)。在其他体系方面，石墨炔/金属硫化物(GDY/MS)构筑的镁基电池可在湿气环境中工作并保持稳定的光照响应放电行为；Fe₂O₃@TiO₂/Ti异质结电极通过内建电场实现光生载流子分离，促进水氧化反应，光照下循环稳定性显著优于无光条件，同时器件经受压缩、释放、弯曲与扭转等多种力学形变测试(图20)。这些工作表明，光辅助柔性储能正从单一金属体系向锌、镁等多金属体系拓展，为不同应用场景提供差异化选择。
图19. SRZAB可拉伸锌空气电池的结构、机制与柔性测试，及PEDOT-PEO/pTTh电极工作原理。
图20. GSMB镁基电池工作机理、Fe ₂ O ₃ @TiO ₂ /Ti电极制备与界面机制及力学形变测试。
V 挑战与未来展望：效率、稳定性、柔性与标准化
文章指出，光辅助柔性储能器件走向实用化仍面临四方面挑战：光能转换与利用效率有限(光阳极吸光窗口较窄)、长期运行稳定性不足(光腐蚀与副反应)、光活性材料机械柔性欠缺，以及性能测试与评价的标准化缺失。面向未来，文章提出四条研究方向：一是设计兼具机械鲁棒性与光吸收能力的新型光吸收材料，使吸光层本身耐受形变；二是发展增强电荷与能量转换的创新技术，包括光电耦合效应、异质结构优化与智能控制系统；三是拓展智能纺织品、可穿戴电子、适形能源系统及应急便携电源等应用场景，使器件真正融入人体与织物界面；四是建立柔性储能系统的专项标准，涵盖安全要求、长期稳定性、机械柔性、性能对比及光-机械耦合性能评价，为领域内的公平比较与技术迭代提供依据(图21)。
图21. 光辅助柔性储能器件的未来展望：设计、创新技术、功能与标准四大维度。
VI 总结
光辅助柔性储能器件将光能采集与电化学储能融为一体，是构建自供电可穿戴电子系统的关键技术方向。本综述以“机理—材料—策略—器件—展望”为主线，系统呈现了该领域的完整图景：在机理层面，光-电-化学过程与机械-电化学耦合效应的协同理解是柔性设计的理论基石；在材料层面，金属氧化物/硫化物、MXenes、有机光敏材料与有机框架材料构筑了多元化的电极材料体系；在策略层面，掺杂改性、界面工程、异质结构、形貌调控与复合策略共同构成了性能增强的方法学框架；在器件层面，光辅助超级电容器与锂基、锌基、镁基等电池体系展示了从快速储能到高能量密度存储的多样化路径。面向未来，提升转换效率与长期稳定性、增强机械鲁棒性并建立标准化评价体系，将是该领域从实验室走向实用化的关键突破口。光辅助柔性储能器件有望成为可穿戴电子、智能纺织品与自供电传感器的重要能量基础，推动柔性电子技术迈向真正的自供电时代。
作者简介
麻伍军
本文通讯作者
南通大学 教授
▍ 主要研究 领域
(1)功能/智能纤维；(2)柔性可穿戴器件(超级电容器、应变传感器、水系锌离子电池)；(3)红外伪装材料。
▍ 主要研究成果
南通大学纺织服装学院教授、硕士生导师，科技处副处长(挂职)。2017年毕业于东华大学材料学专业，师从朱美芳院士，主要从事功能和智能纤维的制备及其在可穿戴器件中的应用研究。先后主持陆军装备部、军委科技委等项目8项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金委重大项目2项，主持重点横向项目1项。以第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表SCI论文40余篇，其中中国科学院一区论文18篇，论文他引3000余次，6篇入选ESI高被引论文，授权国家发明专利20项；曾获中国商业联合会服务业创新一等奖(排名第1)等奖项，担任江苏省化学纤维标准化技术委员会委员等学术职务。
▍ Email： mawj@ntu.edu.cn
兰春桃
本文通讯作者
南通大学 副教授
▍ 主要研究 领域
(1)功能与智能纺织品；(2)柔性可穿戴能源器件；(3)智能热管理织物。
▍ 主要研究成果
南通大学纺织服装学院校聘副教授，入选南通大学高层次人才培育计划。以第一作者在ACS Nano等期刊发表智能热管理织物相关论文，与团队合作在Nano-Micro Lett.、Chem. Eng. J.等期刊发表多项成果，研究方向聚焦功能纤维与柔性储能/热管理器件的一体化设计。
▍ Email： chuntaolan@outlook.com
李敏
本文通讯作者
南通大学 教授
▍ 主要研究 领域
(1)绿色染整技术；(2)伪装纺织品技术；(3)纺织品用着色剂制备及加工技术。
▍ 主要研究成果
南通大学纺织服装学院教授、硕士生导师，安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心副主任。2015年博士毕业于东华大学纺织化学与染整工程专业，获纺织科学与工程一级学科王善元优博基金、江苏省高校青蓝工程优秀骨干教师等荣誉。主持中央军委装备发展部项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等纵向项目11项，以第一/通讯作者发表SCI论文37篇，授权中国发明专利16件、美国发明专利1件，参与制定国家军队标准2项，研究成果获中国纺织工业联合会科技进步一等奖等奖励。
▍ Email： minmin0421@163.com
撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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