中國儲能網訊：你是否想象過，柔軟透氣的衣服、時尚輕便的背包可以儲存電力，方便地為手機、手表等隨身電子器件供電？ 曾經存在于科幻小說中的場景，正在漸漸走進現實。
近日，復旦大學彭慧勝團隊在高性能纖維電池以及電池織物的研究中取得新突破，通過設計具有孔道結構的纖維電極，實現電極與高分子凝膠電解質的有效復合，解決了高分子凝膠電解質與電極界面穩(wěn)定性差的難題；發(fā)展出基于高分子凝膠電解質的纖維電池的連續(xù)化構建方法，實現了高安全性、高儲能性能纖維電池的規(guī)模制備，建立了纖維電池織物的應用示范。
4月24日，相關研究成果以《基于高分子凝膠電解質的高性能纖維電池》（“High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte”）為題，發(fā)表于《自然》（Nature）主刊。該研究成功走通了柔性纖維電池研發(fā)的“最后一公里”，有望為人機交互、健康檢測、智能傳感等領域提供有效的能源解決方案。
纖維鋰離子電池概念圖 本文圖片除單獨標注外 均為復旦大學 供圖
向爬山虎學習突破高分子凝膠/電極界面穩(wěn)定性差的瓶頸
是否可以通過設計纖維結構獲得柔軟的鋰離子電池？是否能制備高能量密度的纖維鋰離子電池？是否能實現高安全性纖維鋰離子電池？作為能源領域的一個全新研究方向，纖維鋰離子電池在發(fā)展過程中面臨著以上三個難題。
多卷纖維電池。
經過十多年探索研究，團隊相繼攻克了前兩個難題。由于纖維電池織物和人體緊密貼合，對安全性要求極高，而此前電池中主要使用易漏易燃的有機電解質，無法滿足應用要求，使用高安全性的高分子凝膠電解質是有效的解決方法。
然而，高分子凝膠電解質難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，導致纖維鋰離子電池儲能性能非常低。因此，實現高安全性纖維電池的關鍵在于：如何解決高分子凝膠電解質與纖維電極界面不穩(wěn)定的難題？
瓶頸的突破源于對自然的觀察和思考。某一天，彭慧勝訪問中國科學院上海硅酸鹽研究所，注意到爬山虎可以緊密而穩(wěn)定地纏繞在另一根植物藤蔓上，于是拔下來察看，回去后便調研爬山虎與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”的秘密：其原理在于爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結構中，隨后液體中的單體發(fā)生聚合反應，便將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。
爬山虎。
受此啟發(fā)，團隊設計了具有多層次網絡孔道和取向孔道的纖維電極，并設計單體溶液使之滲入到纖維電極的孔道結構中，單體發(fā)生聚合反應后生成高分子凝膠電解質，從而與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的界面，進而實現了高安全性與高儲能性能的兼得。
發(fā)展連續(xù)化制備方法建立纖維電池中試生產線
更進一步，團隊發(fā)展出基于高分子凝膠電解質纖維電池的連續(xù)化制備方法，實現了纖維電池的大規(guī)模制備。
團隊使用限域涂覆方法將活性顆粒高效沉積在纖維集流體上制備正負極纖維，并將多根纖維連續(xù)螺旋纏繞，得到具有孔道結構的纖維電極；使單體溶液沿孔道高效浸潤電極并原位固化，接著使用高分子熔融擠出方法連續(xù)包覆柔性封裝層，最終得到纖維電池。
基于上述連續(xù)化制備方法，團隊實現了數千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達到128 瓦時/公斤，實現5C大電流供電，可有效為無人機等大功率用電器供電，同時具有優(yōu)異的耐變形能力，在經歷100000次彎折變形后容量保持率大于96%。
此外，這個思路還顯示出良好普適性，適用于不同材料體系纖維電池的制備，得到的纖維電池均顯示出穩(wěn)定的充放電性能。
通過自主設計關鍵設備，團隊建立了以活性漿料涂覆、高分子隔離膜包覆、纖維螺旋纏繞、凝膠電解質復合以及高分子熔融封裝為核心步驟的纖維電池中試生產線，實現每小時300瓦時的產能，“相當于每小時生產的電池可同時為20部手機充電。”團隊成員介紹。同時，通過控制活性顆粒沉積速度、纖維螺旋纏繞角度等關鍵參數，團隊實現了制備過程的高度可控，得到的纖維電池電化學性質具有良好的一致性，為進一步大規(guī)模應用提供了有力支持。
從無線充電手提包到多功能消防服
如今，團隊正在纖維電池的應用之路上進行探索。
長電池布
他們使用工業(yè)編織方法制備了大面積纖維電池織物，并系統(tǒng)研究了織物的安全性。對于典型的50厘米×30厘米大小的電池織物，容量可達到2975毫安時，與常用手機電池相當，可滿足多種設備的用電需求。在相關工業(yè)標準的要求下，電池織物在經受大電流充放電、過壓充電和欠壓放電、高溫存儲后沒有發(fā)生泄漏、著火等安全事故，顯示出良好的安全性和穩(wěn)定性。電池織物在高低溫、真空環(huán)境中及外力破壞下仍可以安全穩(wěn)定地為用電器供電，有望應用于消防救災、極地科考、航空航天等重要領域。
為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應用潛力，團隊率先試制了一款可充電概念包。記者在復旦大學的展品演示現場看到，該包型外觀就和正常手提包一致，但是在包的內部集成了纖維鋰離子電池和相關電路，只要將具備無線充電功能的手機放入包內就可以開始充電，并且在變形、水洗、強紫外照射后仍能穩(wěn)定供電。
消防服。
團隊還進一步制作了多功能消防服，在高溫火場的模擬環(huán)境中，電池織物在即使被磨損剪斷后仍沒有發(fā)生著火、爆炸等安全事故，并穩(wěn)定地為對講機、傳感器等消防員隨身設備供電。
此外，電池織物可以為大功率用電器安全供電，如可以將加熱服在幾分鐘內加熱到60攝氏度，有望應用在極地科考等領域中。
“纖維電池的應用場景擁有非常廣闊的想象空間，比如應用于軟體機器人、虛擬現實設備等等，應用場景需要大家一起開拓?！?團隊成員路晨昊如是期待中。
從提出科學概念到實現工業(yè)化產品，彭慧勝團隊致力于讓科研成果走出實驗室，在不懈努力下，纖維電池的初步應用正在實現。下一步，團隊期待與產業(yè)界加強合作，進一步提升新型纖維鋰離子電池性能，降低其成本，推動纖維電池的廣泛應用。
中國科學院院士、復旦大學高分子科學系和纖維電子材料與器件研究院教授彭慧勝為該論文通訊作者，復旦大學高分子科學系和纖維電子材料與器件研究院博士后路晨昊、博士研究生江海波、博士研究生程翔然為共同第一作者。該研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目支持。
