用纖維锂離子電池“織”成的衣服來了

TIME: 2022-10-09 新聞資訊電池行業動態資訊

可穿戴電子設備産品發展需要有合乎應用需求的電池作爲電源，據行業相關報道指出已經有了一種叫纖維锂離子電池的産品，其具有良好的柔性，甚至可以“織”成衣服，出門不需要帶充電器和充電寶，通過身上穿的衣服，就可以對手機進行無線充電——聽起來像科幻片的這一場景，正在逐步成爲現實。

纖維锂離子電池具有良好的循环稳定性，循环500圈后，电池的容量保持率仍然达到90.5%，库伦效率为99.8%；在曲率半径为1厘米的情况下，将纖維锂離子電池弯折10万次后，其容量保持率仍大于80%；甚至在重复水洗、挤压等严苛环境下也可以保持较为稳定的电化学性能。

这正是复旦大学高分子科学系彭慧胜团队的研究方向之一。近日，团队通过系统揭示纖維锂離子電池内阻随长度的变化规律，有效解决了聚合物复合活性材料和纖維电极界面稳定性难题，连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纖維聚合物锂離子電池。

相关研究成果以《高性能纖維锂離子電池的规模化构建》为题，发表于《自然》杂志主刊。审稿人评价这项工作是“储能领域和可穿戴技术领域的里程碑研究”和“柔性电子领域的一个里程碑”。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。

作为现代电子设备的“心脏”，以锂離子電池为代表的储能器件是现代电子工业和人们生活不可或缺的组成部分。彭慧胜团队从2008年开始研究新型柔性电池系统，在2013年提出并研制了新型纖維锂離子電池，为有效满足智能电子织物等可穿戴设备能源供给需求提供了新路径。

经过最近几年国际学术界的共同努力，纖維锂離子電池研究取得了系列积极进展，但仍然面临一些重大难题，限制了其实际应用。其关键挑战在于，面向块状锂離子電池的成熟生产体系很难适用于纖維锂離子電池，而国际上纖維锂电池的连续化制备研究几乎是空白。迄今为止报道的纖維锂離子電池长度往往在厘米尺度，并且基于整体质量的能量密度也比较低。

“纖維锂離子電池就如同毛线，要织成一件可以充电的毛衣，必须保证有足够长的毛线。”上述论文的共同第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何纪卿和路晨昊形容道。

研究团队在长期研究过程中逐渐意识到，要实现纖維锂離子電池的连续化构建，首先需要解决的一个重要科学问题，那就是要从源头上厘清纖維电池内阻和长度的关系规律。团队成员突破以往的研究思路，通过大量的预实验筛选，广泛尝试了不同电学特性的纖維集流体材料，最终发现并揭示出纖維锂離子電池内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定的变化规律。并且纖維集流体的导电率越高，越能有效降低纖維锂離子電池的内阻，从而有利于提升连续长纖維电池的电化学性能。上述关系规律得到了系统的实验验证，为纖維锂離子電池的连续构建提供了有力的理论支撑和依据。

創新路線，實現連續化制備

要实现高效负载纖維锂離子電池活性材料的高效连续制备，必须有效解决活性材料与导电纖維集流体的界面稳定性难题。“在纖維表面进行涂覆时很容易产生串珠等涂覆不均匀的现象，就像糖葫芦一样，严重影响了纖維电极制备的连续性和电池的电化学性能。”何纪卿解释道，经典的平面涂覆方法很难适用于高曲率的纖維。

为此，团队发展出了高效负载纖維锂離子電池活性材料的连续化方法，通过调控正负极活性材料组分和黏附力，有效解决了聚合物复合活性材料与导电纖維集流体的界面稳定性难题，并自主设计和建立了面向纖維锂離子電池连续构建的标准化装置，实现了活性材料在千米级光滑纖維表面的高效负载和精准控制，获得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纖維电极材料。团队进一步将正极纖維和包覆高分子隔膜的负极纖維进行缠绕组装，并进行有效的封装和电解液注入，最终实现了高性能纖維聚合物锂離子電池的连续化制备。所制得的纖維电池容量随长度线性增加，显示该构建路线具有良好的可靠性。

應用前景廣闊，普及任重道遠

複旦大學彭慧勝、陳培甯的團隊論文《大面積顯示織物及其功能集成系統》發表于《自然》雜志主刊，他們自主研發的全柔性織物顯示系統，可緊貼人體不規則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。

談起這一成果，彭慧勝表示：“前者是用電，我們現在的這個研究是供電，二者完全不同但又緊密相關。”

该纖維锂聚合物离子电池表现出了良好的综合性能，显示了广阔的应用前景。基于包括封装材料在内的全电池重量，其能量密度超过85瓦时/千克（Wh/kg），长度为1米的电池可以为智能手机、手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电；纖維锂離子電池还具有良好的循环稳定性，循环500圈后，电池的容量保持率仍然达到90.5%，库伦效率为99.8%；在曲率半径为1厘米的情况下，将纖維锂離子電池弯折10万次后，其容量保持率仍大于80%；甚至在重复水洗、挤压等严苛环境下也可以保持较为稳定的电化学性能。进一步通过纺织方法，团队已经获得了高性能的大面积电池织物。“如果将电池织物和无线充电发射装置集成，可安全、稳定地为智能手机进行无线充电。”何纪卿说。

从新现象到新规律，到连续构建关键技术的突破，到几乎所有核心设备的自主研发，再到工程化连续制备路线的不断提高……团队从未止步。通过十多年持续不断的深入研究，团队已经把纖維电池从实验室样品发展到了产品模型，特别是实现了高安全性纖維聚合物锂離子電池的连续化构建，并致力于推动纖維电池和织物系统的规模化应用研究。

“可穿戴纖維锂離子電池的很多功能已经实现，但对于真正的推广普及来说，依然任重道远。”彭慧胜说。

从电池本身来说，目前纖維聚合物锂離子電池与生活中常用的平面电池的能量密度相比，还有较大的提升空间；也需要发展面向纖維聚合物锂離子電池构建、性能评估和使用的行业标准或规范，推动其工程转化和市场化应用；此外，在很多应用方面如可穿戴领域，还需要更加先进的编织技术，将纖維锂離子電池高效地编织到各种衣物中，使穿着更舒适、更美观。

彭慧胜表示，期待锂離子電池领域产业界的合作者加入，共同探索解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。

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