“穿”在身上的电池 登《自然》主刊 彭慧胜团队实现纤维聚合物锂离子电池新突破

作者:吕京笏摄影: 视频: 来源:《复旦》校报发布时间:2021-09-24

出门不需要带充电器和充电宝,通过身上穿的衣服,就可以对手机进行无线充电。听起来像科幻片的场景,正在逐步成为现实。

这是高分子科学系彭慧胜团队的研究方向之一。相关研究成果以《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》(“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”)为题,9月1日发表于《自然》(Nature)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”(“landmark research not only in energy storage but also in wearable technology”)和“柔性电子领域的一个里程碑”(“a milestone towards the prevalence of flexible electronics”)。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。

转换思维 严谨求证

作为现代电子设备的“心脏”,以锂离子电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年提出并实现了新型纤维锂离子电池,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,纤维锂离子电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,面向块状锂离子电池的成熟生产体系很难适用于纤维锂离子电池,而国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白。迄今为止报道的纤维锂离子电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。“纤维锂离子电池就如同毛线,要织成一件可以充电的毛衣,必须保证有足够长的毛线。”这篇论文的共同第一作者、高分子科学系博士生何纪卿和路晨昊形容道。

研究团队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纤维集流体材料,最终发现并揭示出纤维锂离子电池内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定的变化规律,为纤维锂离子电池的连续构建提供了有力的理论支撑和依据。

自主设计 创新路线

要实现高效负载纤维锂离子电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纤维集流体的界面稳定性难题。“在纤维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,严重影响了纤维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纤维。

为此,团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法,有效解决了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题,自主设计和建立了面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置,获得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维电极材料。最终实现了高性能纤维聚合物锂离子电池的连续化制备。

用途广阔 大展身手

彭慧胜/陈培宁团队自主研发的全柔性织物显示系统,可紧贴人体不规则轮廓,像普通织物一样轻薄透气,确保良好的穿着舒适度。论文《大面积显示织物及其功能集成系统》(“large-area display textiles integrated with functional systems”) 今年3月发表于《自然》(Nature)主刊。

谈起这一成果,彭慧胜表示:“前者是用电,我们现在的这个研究是供电,二者完全不同但又紧密相关。”

该纤维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。进一步通过纺织方法,团队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。

守正创新 任重道远

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。通过十多年的深入研究,已经把纤维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纤维聚合物锂离子电池的连续化构建,并致力于推动纤维电池和织物系统的规模化应用研究。

“可穿戴纤维锂离子电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。

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,将纤维锂离子电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,期待锂离子电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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