靈感來自爬山虎！上海科研團隊研發纖維鋰離子電池

一個看似普通的背包，能夠實現為手機充滿電，不僅如此，歷經彎折、水洗、強紫外照射后它仍能穩定供電。復旦大學彭慧勝教授團隊的研究，讓曾經存在于科幻小說中的場景，成為現實。

近日，復旦大學彭慧勝團隊在高性能纖維電池以及電池織物的研究中取得新突破，通過設計具有孔道結構的纖維電極，實現電極與高分子凝膠電解質的有效復合，解決了高分子凝膠電解質與電極界面穩定性差的難題；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，實現了高安全性、高儲能性能纖維電池的規模制備，建立了纖維電池織物的應用示范。

4月24日，相關研究成果發表于《自然》主刊。該研究成功打通了柔性纖維電池研發的“最后一公里”，有望為人機交互、健康檢測、智能傳感等領域提供有效的能源解決方案。

一株爬山虎，突破穩定性差的瓶頸

纖維電池織物和人體緊密貼合，對安全性要求極高。此前，電池中主要使用易漏易燃的有機電解質，無法滿足應用要求。使用高安全性的高分子凝膠電解質是有效的解決方法。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。因此，實現高安全性纖維電池的關鍵在于，如何解決高分子凝膠電解質與纖維電極界面不穩定的難題？

瓶頸的突破源于對自然的觀察和思考。有一次，彭慧勝訪問中國科學院上海硅酸鹽研究所，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，于是拔下來察看，回去后便調研爬山虎與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”的秘密。彭慧勝發現，其原理在于爬山虎能分泌出一種具有優良浸潤性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結構中，隨后液體中的單體發生聚合反應，便將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。

爬山虎啟示。復旦大學供圖

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，并設計單體溶液使之滲入到纖維電極的孔道結構中，單體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，進而實現了高安全性與高儲能性能的兼得。

不僅如此，團隊還發展出基于高分子凝膠電解質纖維電池的連續化制備方法，實現了纖維電池的大規模制備。

多卷纖維電池。復旦大學供圖

目前，團隊已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。該電池可有效為無人機等大功率用電器供電，同時具有優異的耐變形能力。在經歷10萬次彎折、拉伸、扭轉變形后，其容量保持率大于96%。此外，這個思路還顯示出良好普適性，適用于不同材料體系纖維電池的制備，得到的纖維電池均顯示出穩定的充放電性能。

通過自主設計關鍵設備，團隊建立了以活性漿料涂覆、高分子隔離膜包覆、纖維螺旋纏繞、凝膠電解質復合以及高分子熔融封裝為核心步驟的纖維電池中試生產線，實現每小時300瓦時的產能。“相當于每小時生產的電池可同時為20部手機充電。”團隊成員介紹。此外，團隊還實現了制備過程的高度可控，為進一步大規模應用提供了有力支持。

制備高性能電池織物，探索應用場景?

如今，團隊正在纖維電池的應用之路上進行探索。

他們使用工業編織方法制備了大面積纖維電池織物，并系統研究了織物的安全性。對于典型的50 厘米×30厘米大小的電池織物，容量可達到2975毫安時，與常用手機電池相當，可滿足多種設備的用電需求。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、高溫存儲后沒有發生泄漏、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，有望應用于消防救災、極地科考、航空航天等重要領域。

為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應用潛力，團隊率先試制了一款可充電概念背包。該背包在變形、水洗、強紫外照射后仍能穩定供電。團隊還進一步制作了多功能消防服，在高溫火場的模擬環境中，電池織物即使被磨損后仍沒有發生著火、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，比如應用于軟體機器人、虛擬現實設備等，應用場景需要大家一起開拓。”團隊成員向記者表示。

從提出科學概念到實現工業化產品，彭慧勝團隊致力于讓科研成果走出實驗室。在他們的不懈努力下，纖維電池的初步應用正在實現。下一步，團隊期待與產業界加強合作，進一步提升新型纖維鋰離子電池性能，降低其成本，推動纖維電池的廣泛應用。