|
 |
图 纤维锂离子电池概念图
在国家自然科学基金项目（批准号：T2321003、T2222005）等资助下，复旦大学彭慧胜教授团队在高性能纤维电池以及电池织物的研究中取得新突破，相关研究成果以“基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池（High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte）”为题，于2024年4月24日发表于《自然》（Nature）杂志。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x。
作为能源领域的一个全新研究方向，纤维锂离子电池在发展过程中面临着三个关键难题：1、是否可以通过设计纤维结构获得柔软的锂离子电池？2、是否能制备高能量密度的纤维锂离子电池？3、能否实现高安全性纤维锂离子电池？
经过十多年的探索，彭慧胜教授团队相继攻克了前两个难题。由于纤维电池织物和人体紧密贴合，对安全性要求极高，而此前电池中主要使用易漏易燃的有机电解质，无法满足应用要求，使用高安全性的高分子凝胶电解质是有效的解决方法。然而，高分子凝胶电解质难以与纤维电极形成紧密稳定的接触界面，导致纤维锂离子电池储能性能非常低。因此，实现高安全性纤维电池的关键在于解决高分子凝胶电解质与纤维电极界面不稳定的难题。
稳定的界面对自然界中生物功能的实现十分重要。研究团队观察到爬山虎可以紧密而稳定地缠绕在植物藤蔓上，其原理在于爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体，该液体渗透到两者接触表面的孔道结构中，液体中的单体发生聚合反应，将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。受此启发，团队设计了具有多层次网络孔道和取向孔道的纤维电极，并设计单体溶液使之渗入到纤维电极的孔道结构中，单体发生聚合反应后生成高分子凝胶电解质，从而与纤维电极形成紧密稳定的界面，进而实现了高安全性与高储能性能的兼得。
更进一步地，团队发展出基于高分子凝胶电解质纤维电池的连续化制备方法。实现了纤维锂离子电池的规模化制备，产能可达每小时300瓦时，其能量密度达到128 瓦时/公斤。基于纤维锂离子电池制备了高容量电池织物，对于典型的50 cm×30 cm大小的电池织物，容量可达到2975 毫安时。在相关工业标准的要求下，电池织物在经受大电流充放电、过压充电和欠压放电后没有发生泄漏、着火等安全事故，在高低温、真空环境中及外力破坏下仍可以安全稳定地为用电器供电。该成果为高性能纤维电池的广泛应用打下了坚实基础。