中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：你是否想象過，柔軟透氣的衣服、時(shí)尚輕便的背包可以儲(chǔ)存電力，方便地為手機(jī)、手表等隨身電子器件供電？ 曾經(jīng)存在于科幻小說中的場(chǎng)景，正在漸漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
近日，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)具有孔道結(jié)構(gòu)的纖維電極，實(shí)現(xiàn)電極與高分子凝膠電解質(zhì)的有效復(fù)合，解決了高分子凝膠電解質(zhì)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(zhì)的纖維電池的連續(xù)化構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了高安全性、高儲(chǔ)能性能纖維電池的規(guī)模制備，建立了纖維電池織物的應(yīng)用示范。
4月24日，相關(guān)研究成果以《基于高分子凝膠電解質(zhì)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(jī)交互、健康檢測(cè)、智能傳感等領(lǐng)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(dú)標(biāo)注外 均為復(fù)旦大學(xué) 供圖
向爬山虎學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)纖維結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)高安全性纖維鋰離子電池？作為能源領(lǐng)域的一個(gè)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(gè)難題。
多卷纖維電池。
經(jīng)過十多年探索研究，團(tuán)隊(duì)相繼攻克了前兩個(gè)難題。由于纖維電池織物和人體緊密貼合，對(duì)安全性要求極高，而此前電池中主要使用易漏易燃的有機(jī)電解質(zhì)，無法滿足應(yīng)用要求，使用高安全性的高分子凝膠電解質(zhì)是有效的解決方法。
然而，高分子凝膠電解質(zhì)難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，導(dǎo)致纖維鋰離子電池儲(chǔ)能性能非常低。因此，實(shí)現(xiàn)高安全性纖維電池的關(guān)鍵在于：如何解決高分子凝膠電解質(zhì)與纖維電極界面不穩(wěn)定的難題？
瓶頸的突破源于對(duì)自然的觀察和思考。某一天，彭慧勝訪問中國(guó)科學(xué)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(diào)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(rùn)性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結(jié)構(gòu)中，隨后液體中的單體發(fā)生聚合反應(yīng)，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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有多層次網(wǎng)絡(luò)孔道和取向孔道的纖維電極，并設(shè)計(jì)單體溶液使之滲入到纖維電極的孔道結(jié)構(gòu)中，單體發(fā)生聚合反應(yīng)后生成高分子凝膠電解質(zhì)，從而與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的界面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高安全性與高儲(chǔ)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(chǎn)線
更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出基于高分子凝膠電解質(zhì)纖維電池的連續(xù)化制備方法，實(shí)現(xiàn)了纖維電池的大規(guī)模制備。
團(tuán)隊(duì)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(fù)極纖維，并將多根纖維連續(xù)螺旋纏繞，得到具有孔道結(jié)構(gòu)的纖維電極；使單體溶液沿孔道高效浸潤(rùn)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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)千米長(zhǎng)度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達(dá)到128 瓦時(shí)/公斤，實(shí)現(xiàn)5C大電流供電，可有效為無人機(jī)等大功率用電器供電，同時(shí)具有優(yōu)異的耐變形能力，在經(jīng)歷100000次彎折變形后容量保持率大于96%。
此外，這個(gè)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(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，團(tuán)隊(duì)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(zhì)復(fù)合以及高分子熔融封裝為核心步驟的纖維電池中試生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)300瓦時(shí)的產(chǎn)能，“相當(dāng)于每小時(shí)生產(chǎn)的電池可同時(shí)為20部手機(jī)充電。”團(tuán)隊(duì)成員介紹。同時(shí)，通過控制活性顆粒沉積速度、纖維螺旋纏繞角度等關(guān)鍵參數(shù)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了制備過程的高度可控，得到的纖維電池電化學(xué)性質(zhì)具有良好的一致性，為進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)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(tuán)隊(duì)正在纖維電池的應(yīng)用之路上進(jìn)行探索。
長(zhǎng)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(duì)于典型的50厘米×30厘米大小的電池織物，容量可達(dá)到2975毫安時(shí)，與常用手機(jī)電池相當(dāng)，可滿足多種設(shè)備的用電需求。在相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，電池織物在經(jīng)受大電流充放電、過壓充電和欠壓放電、高溫存儲(chǔ)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(yīng)用于消防救災(zāi)、極地科考、航空航天等重要領(lǐng)域。
為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)率先試制了一款可充電概念包。記者在復(fù)旦大學(xué)的展品演示現(xiàn)場(chǎng)看到，該包型外觀就和正常手提包一致，但是在包的內(nèi)部集成了纖維鋰離子電池和相關(guān)電路，只要將具備無線充電功能的手機(jī)放入包內(nèi)就可以開始充電，并且在變形、水洗、強(qiáng)紫外照射后仍能穩(wěn)定供電。
消防服。
團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步制作了多功能消防服，在高溫火場(chǎng)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(duì)講機(jī)、傳感器等消防員隨身設(shè)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(nèi)加熱到60攝氏度，有望應(yīng)用在極地科考等領(lǐng)域中。
“纖維電池的應(yīng)用場(chǎng)景擁有非常廣闊的想象空間，比如應(yīng)用于軟體機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等等，應(yīng)用場(chǎng)景需要大家一起開拓?！?團(tuán)隊(duì)成員路晨昊如是期待中。
從提出科學(xué)概念到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化產(chǎn)品，彭慧勝團(tuán)隊(duì)致力于讓科研成果走出實(shí)驗(yàn)室，在不懈努力下，纖維電池的初步應(yīng)用正在實(shí)現(xiàn)。下一步，團(tuán)隊(duì)期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，進(jìn)一步提升新型纖維鋰離子電池性能，降低其成本，推動(dòng)纖維電池的廣泛應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)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(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目支持。
