把電池“穿”在身上 中國科學家實現(xiàn)纖維鋰離子電池新突破

出門不需帶充電器和移動電源，通過身上的衣服，就可對手機進行無線充電。這一人們想象中的場景正在逐步成為現(xiàn)實。

近日，《自然》主刊發(fā)表了復旦大學高分子科學系彭慧勝教授團隊的一項研究。該研究系統(tǒng)揭示了纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度的變化規(guī)律，有效解決了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性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。

根據(jù)此項研究成果，長度為1米的纖維聚合物鋰離子電池，可以為智能手機、手環(huán)、心率監(jiān)測儀等可穿戴電子設(shè)備長時間連續(xù)有效供電。同時，該電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池容量保持率仍然達到90.5%；在曲率半徑為1厘米情況下，把該電池彎折10萬次后，其容量保持率仍大于80%。

未來可穿戴電池織物概念展示圖 （復旦大學供圖）

以鋰離子電池為代表的儲能器件，被稱作現(xiàn)代電子設(shè)備的“心臟”。彭慧勝團隊在2013年提出并實現(xiàn)新型纖維鋰離子電池，為智能電子織物等可穿戴設(shè)備能源供給提供了新路徑。然而，纖維鋰離子電池研究多年來面臨一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，即面向塊狀鋰離子電池的成熟生產(chǎn)體系難以適用于纖維鋰離子電池，而國際上纖維鋰電池的連續(xù)化制備研究幾乎是空白，迄今為止報道的纖維鋰離子電池長度均在厘米尺度。

“纖維鋰離子電池如同毛線，要織成一件可以充電的毛衣，就必須保證有足夠長的毛線?！迸砘蹌賵F隊成員發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)纖維鋰離子電池的連續(xù)化構(gòu)建，就要從源頭上厘清纖維電池內(nèi)阻和長度的關(guān)系規(guī)律。通過廣泛嘗試不同電學特性的纖維集流體材料，他們最終揭示出纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度增加先減小后逐步趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，為纖維鋰離子電池的連續(xù)構(gòu)建提供了有力理論支撐。

在此基礎(chǔ)上，還要實現(xiàn)高效負載纖維鋰離子電池活性材料的高效連續(xù)制備?！敖?jīng)典的方法是平面涂覆，但在纖維表面進行涂覆很容易產(chǎn)生不平整的串珠結(jié)構(gòu)，對電池性能和穩(wěn)定性都非常不利。”團隊成員、復旦大學高分子科學系博士生何紀卿說。

為此，團隊發(fā)展出新方法，通過調(diào)控正負極活性材料組分和粘附力，有效解決了聚合物復合活性材料與導電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題，得到了高負載量、涂覆均勻和容量高度匹配的正、負極纖維電極材料。隨后，團隊相繼開展了電池連續(xù)組裝和封裝等方法學研究，最終實現(xiàn)了高性能纖維聚合物鋰離子電池的連續(xù)化穩(wěn)定制備。

可穿戴電池織物示意圖 復旦大學供圖

據(jù)介紹，團隊通過紡織方法，已獲得高性能大面積電池織物。將電池織物和無線充電發(fā)射裝置集成，可安全、穩(wěn)定地為智能手機進行無線充電。

“纖維鋰聚合物離子電池已顯示出廣闊應用前景，但與生活中常用的平面電池的能量密度相比，這一電池還有較大提升空間。此外，還需要更先進的編織技術(shù)，將電池高效地編織到各種衣物中，使人們穿著更加舒適、美觀。”彭慧勝說。（記者吳振東、潘旭）