復旦大學高分子科學系博士研究生江海波向《中國科學報》記者展示了一款特殊的包包。它的外形和一般的手提包無異，但手機一放進去就開始充電，半小時后，手機電量就已經增加了20%。
這款特殊的“可充電包”由一種特殊的纖維鋰電池做成，來源于中國科學院院士、復旦大學高分子科學系教授彭慧勝團隊。
利用具有孔道結構的特殊纖維電極，研究團隊實現了電極與高分子凝膠電解質的有效復合，有效解決了高分子凝膠電解質與電極界面穩定性差的難題，進而發展出基于高分子凝膠電解質的纖維電池的連續化構建方法，并已進入規模制備階段。相關研究于4月24日發表于《自然》。
纖維鋰離子電池概念圖。
靈感來源于爬山虎
彭慧勝介紹，纖維鋰離子電池是能源領域一個全新的研究方向，在發展過程中，面臨著3個主要問題：如何通過設計纖維結構獲得柔軟的鋰離子電池？如何制備高能量密度的纖維鋰離子電池？如何實現高安全性纖維鋰離子電池？
早在2008年，彭慧勝團隊便開始開展相關的探索性工作。
2013年，團隊取得第一個突破性進展，驗證了將鋰離子電池設計成纖維結構在原理上的可行性。
8年后，團隊進一步解決了第二個問題，纖維鋰離子電池的能量密度較過去提升了近2個數量級，基本滿足應用需求，并在此基礎上建立了世界上首條纖維鋰離子電池生產線。
然而，此前電池中主要使用易漏易燃的有機電解質。考慮到纖維電池織物在實際應用中會和人體緊密貼合，電池的安全性能尚需提升。
彭慧勝將突破口聚焦在了高安全性的高分子凝膠電解質上。然而，高分子凝膠電解質難以與纖維電極形成緊密穩定的接觸界面，導致纖維鋰離子電池儲能性能非常低。
如何解決界面不穩定的難題？彭慧勝偶然間注意到，爬山虎可以緊密而穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上，調研后發現：其原理在于爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結構中并發生聚合反應，從而將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。
受此啟發，團隊設計了具有多層次網絡孔道和取向孔道的纖維電極，同時設計了可滲入孔道結構的單體溶液，單體在孔道中發生聚合反應后生成高分子凝膠電解質，從而與纖維電極形成緊密穩定的界面。
就此，安全性的問題初步破解。
纖維電極結構示意圖。
走通“最后一公里”
“其實一開始做這個項目的時候，并沒有想過具體應用的事情。”彭慧勝回憶，“但隨著研究的推進，其應用價值也逐漸顯現出來，到現在，我們基本走通了柔性纖維電池研發的‘最后一公里’。”
在此過程中，彭慧勝有意識地去招收一些在工業界有一定經驗的學生。論文共同一作江海波就是在工業界工作了一段時間之后重新回到實驗室。
“在工業界的時候，我做的就是研發相關的工作，雖然關注的問題大方向有差異，但都是聚焦問題本身，兩者之間也存在相通性。”江海波告訴《中國科學報》。
隨著更多有產業化思維的人加入進來，把纖維電池從實驗室推向產業的速度進一步加快。首要解決的，便是建立成熟的工藝生產線。
彭慧勝介紹，團隊發展出了一套基于高分子凝膠電解質纖維電池的連續化制備方法，實現了數千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達到128瓦時/公斤，實現5C大電流供電，可有效為無人機等大功率用電器供電。纖維電池在經歷100000次彎折變形后容量保持率大于96%，表明其具有優異的耐變形能力。將此思路應用于不同材料體系時，制備得到的纖維電池均表現出穩定的充放電性能。
目前，團隊已經建立了一套制備過程的高度可控、纖維電池電化學性質一致性良好的中試生產線，每小時產能達300瓦時。“相當于每小時生產的電池可同時為20部手機充電。”江海波補充，“1米纖維的物料成本為0.5元左右，大規模生產后將進一步降低成本。”
預計一年后實現應用
纖維電池的直徑可以做到約500微米，與傳統衣服的紗線相當。彭慧勝團隊使用工業編織方法，制備了大面積纖維電池織物，其外觀同普通的“布”類似。一塊50厘米×30厘米大小的“布”，容量可達到2975毫安時，與常用手機電池相當。
大面積纖維電池織物。 圖片均由課題組提供
同時，團隊系統研究了電池織物的安全性能。在相關工業標準的要求下，電池織物在經受大電流充放電、過壓充電和欠壓放電、高溫存儲后未發生泄漏、著火等安全事故，顯示出良好的安全性和穩定性。電池織物在高低溫、真空環境中及外力破壞下仍可以安全穩定地為用電器供電。
“我們測試結果表明，電池織物經受100次水洗（相當于家用洗衣機洗滌500次）和10000次摩擦后性能保持穩定。”彭慧勝解釋。
在這些特性加持下，該電池織物有望應用于消防救災、極地科考、航空航天等重要領域。團隊已試制了一款多功能消防服，在高溫火場的模擬環境中，電池織物在即使被磨損剪斷后仍沒有發生著火、爆炸等安全事故，并穩定地為對講機、傳感器等消防員隨身設備供電。
“纖維電池的應用場景擁有非常廣闊的想象空間，比如仿生手臂、軟體機器人、虛擬現實設備等等，但應用場景需要大家一起開拓。”江海波表示。
彭慧勝強調，讓一款從“源頭創新”開始的產品服務于大眾應用，需要學術界和產業界的聚力合作。“下一步，我們希望與產業界加強合作，進一步提升新型纖維鋰離子電池性能，降低成本，推動纖維電池的廣泛應用。一切順利的話，預計將在一年后有產品問世。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07343-x
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