可穿戴纖維聚合物鋰離子電池概念圖 受訪者供圖
纖維鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池的容量保持率仍然達(dá)到90.5%，庫(kù)倫效率為99.8%；在曲率半徑為1厘米的情況下，將纖維鋰離子電池彎折10萬(wàn)次后，其容量保持率仍大于80%；甚至在重復(fù)水洗、擠壓等嚴(yán)苛環(huán)境下也可以保持較為穩(wěn)定的電化學(xué)性能。
出門(mén)不需要帶充電器和充電寶，通過(guò)身上穿的衣服，就可以對(duì)手機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電——聽(tīng)起來(lái)像科幻片的這一場(chǎng)景，正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。
這正是復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝團(tuán)隊(duì)的研究方向之一。團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)揭示纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長(zhǎng)度的變化規(guī)律，有效解決了聚合物復(fù)合活性材料和纖維電極界面穩(wěn)定性難題，連續(xù)構(gòu)建出兼具良好安全性和綜合電化學(xué)性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。
相關(guān)研究成果以《高性能纖維鋰離子電池的規(guī)模化構(gòu)建》為題，發(fā)表于《自然》雜志主刊。審稿人評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作是“儲(chǔ)能領(lǐng)域和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑研究”和“柔性電子領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”。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。
理論探索，摸清電池內(nèi)阻變化規(guī)律
作為現(xiàn)代電子設(shè)備的“心臟”，以鋰離子電池為代表的儲(chǔ)能器件是現(xiàn)代電子工業(yè)和人們生活不可或缺的組成部分。彭慧勝團(tuán)隊(duì)從2008年開(kāi)始研究新型柔性電池系統(tǒng)，在2013年提出并研制了新型纖維鋰離子電池，為有效滿(mǎn)足智能電子織物等可穿戴設(shè)備能源供給需求提供了新路徑。
經(jīng)過(guò)最近幾年國(guó)際學(xué)術(shù)界的共同努力，纖維鋰離子電池研究取得了系列積極進(jìn)展，但仍然面臨一些重大難題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。其關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，面向塊狀鋰離子電池的成熟生產(chǎn)體系很難適用于纖維鋰離子電池，而國(guó)際上纖維鋰電池的連續(xù)化制備研究幾乎是空白。迄今為止報(bào)道的纖維鋰離子電池長(zhǎng)度往往在厘米尺度，并且基于整體質(zhì)量的能量密度也比較低。
“纖維鋰離子電池就如同毛線，要織成一件可以充電的毛衣，必須保證有足夠長(zhǎng)的毛線。”上述論文的共同第一作者、復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士生何紀(jì)卿和路晨昊形容道。
研究團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期研究過(guò)程中逐漸意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池的連續(xù)化構(gòu)建，首先需要解決的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，那就是要從源頭上厘清纖維電池內(nèi)阻和長(zhǎng)度的關(guān)系規(guī)律。團(tuán)隊(duì)成員突破以往的研究思路，通過(guò)大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選，廣泛嘗試了不同電學(xué)特性的纖維集流體材料，最終發(fā)現(xiàn)并揭示出纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長(zhǎng)度增加先減小后逐步趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。并且纖維集流體的導(dǎo)電率越高，越能有效降低纖維鋰離子電池的內(nèi)阻，從而有利于提升連續(xù)長(zhǎng)纖維電池的電化學(xué)性能。上述關(guān)系規(guī)律得到了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為纖維鋰離子電池的連續(xù)構(gòu)建提供了有力的理論支撐和依據(jù)。
創(chuàng)新路線，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備
要實(shí)現(xiàn)高效負(fù)載纖維鋰離子電池活性材料的高效連續(xù)制備，必須有效解決活性材料與導(dǎo)電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題。“在纖維表面進(jìn)行涂覆時(shí)很容易產(chǎn)生串珠等涂覆不均勻的現(xiàn)象，就像糖葫蘆一樣，嚴(yán)重影響了纖維電極制備的連續(xù)性和電池的電化學(xué)性能。”何紀(jì)卿解釋道，經(jīng)典的平面涂覆方法很難適用于高曲率的纖維。
為此，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了高效負(fù)載纖維鋰離子電池活性材料的連續(xù)化方法，通過(guò)調(diào)控正負(fù)極活性材料組分和黏附力，有效解決了聚合物復(fù)合活性材料與導(dǎo)電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題，并自主設(shè)計(jì)和建立了面向纖維鋰離子電池連續(xù)構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化裝置，實(shí)現(xiàn)了活性材料在千米級(jí)光滑纖維表面的高效負(fù)載和精準(zhǔn)控制，獲得到了高負(fù)載量、涂覆均勻和容量高度匹配的正、負(fù)極纖維電極材料。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將正極纖維和包覆高分子隔膜的負(fù)極纖維進(jìn)行纏繞組裝，并進(jìn)行有效的封裝和電解液注入，最終實(shí)現(xiàn)了高性能纖維聚合物鋰離子電池的連續(xù)化制備。所制得的纖維電池容量隨長(zhǎng)度線性增加，顯示該構(gòu)建路線具有良好的可靠性。
應(yīng)用前景廣闊，普及任重道遠(yuǎn)
今年3月，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝、陳培寧的團(tuán)隊(duì)論文《大面積顯示織物及其功能集成系統(tǒng)》發(fā)表于《自然》雜志主刊，他們自主研發(fā)的全柔性織物顯示系統(tǒng)，可緊貼人體不規(guī)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(xiàn)在的這個(gè)研究是供電，二者完全不同但又緊密相關(guān)。”
該纖維鋰聚合物離子電池表現(xiàn)出了良好的綜合性能，顯示了廣闊的應(yīng)用前景。基于包括封裝材料在內(nèi)的全電池重量，其能量密度超過(guò)85瓦時(shí)/千克（Wh/kg），長(zhǎng)度為1米的電池可以為智能手機(jī)、手環(huán)、心率監(jiān)測(cè)儀、血氧儀等可穿戴電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)有效供電；纖維鋰離子電池還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池的容量保持率仍然達(dá)到90.5%，庫(kù)倫效率為99.8%；在曲率半徑為1厘米的情況下，將纖維鋰離子電池彎折10萬(wàn)次后，其容量保持率仍大于80%；甚至在重復(fù)水洗、擠壓等嚴(yán)苛環(huán)境下也可以保持較為穩(wěn)定的電化學(xué)性能。進(jìn)一步通過(guò)紡織方法，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了高性能的大面積電池織物。“如果將電池織物和無(wú)線充電發(fā)射裝置集成，可安全、穩(wěn)定地為智能手機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電。”何紀(jì)卿說(shuō)。
從新現(xiàn)象到新規(guī)律，到連續(xù)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的突破，到幾乎所有核心設(shè)備的自主研發(fā)，再到工程化連續(xù)制備路線的不斷提高……團(tuán)隊(duì)從未止步。通過(guò)十多年持續(xù)不斷的深入研究，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把纖維電池從實(shí)驗(yàn)室樣品發(fā)展到了產(chǎn)品模型，特別是實(shí)現(xiàn)了高安全性纖維聚合物鋰離子電池的連續(xù)化構(gòu)建，并致力于推動(dòng)纖維電池和織物系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用研究。
“可穿戴纖維鋰離子電池的很多功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于真正的推廣普及來(lái)說(shuō)，依然任重道遠(yuǎn)。”彭慧勝說(shuō)。
從電池本身來(lái)說(shuō)，目前纖維聚合物鋰離子電池與生活中常用的平面電池的能量密度相比，還有較大的提升空間；也需要發(fā)展面向纖維聚合物鋰離子電池構(gòu)建、性能評(píng)估和使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，推動(dòng)其工程轉(zhuǎn)化和市場(chǎng)化應(yīng)用；此外，在很多應(yīng)用方面如可穿戴領(lǐng)域，還需要更加先進(jìn)的編織技術(shù)，將纖維鋰離子電池高效地編織到各種衣物中，使穿著更舒適、更美觀。
彭慧勝表示，期待鋰離子電池領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)界的合作者加入，共同探索解決新型電池體系在生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中面臨的各種問(wèn)題。（記者 王春）
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