復旦大學團隊實現高性能纖維電池規模制備

時間:2024-05-13 18:48來源:中國教育報 作者:任朝霞
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在復旦大學光華樓，中國科學院院士、復旦大學高分子科學系和纖維電子材料與器件研究院教授彭慧勝向記者展示了一款由特殊纖維電池織物制成的可充電概念背包：“把手機放在包里，就可以自動充電。”包的外觀和普通的包沒有什么區別，它卻能夠隨時隨地安全穩定地為手機、手表等充電。
 
近日，彭慧勝帶領團隊成功走通了柔性纖維電池研發的“最后一公里”，實現了高安全性、高儲能性能纖維電池的規模制備。這也意味著，穿著柔軟透氣的衣服、背著時尚輕便的背包就可以為手機充電等曾經存在于科幻小說中的場景，正漸漸走進現實。
 
4月24日，團隊相關研究成果以《基于高分子凝膠電解質的高性能纖維電池》為題發表于《自然》主刊。該成果有望為人機交互、健康檢測、智能傳感等領域提供有效的能源解決方案。
 
“2008年我們就開始了這個方向的研究，當時想得很簡單，就是覺得柔性纖維儲能器件很有趣。”彭慧勝說，“相關研究‘此前沒有被報道’，這讓我們感到十分興奮。”
 
能不能通過設計纖維結構獲得柔軟的鋰離子電池？研究團隊用了5年時間終于得出了肯定的結論。“思路被證明是可行的，然而，實踐之路卻是漫長的。”彭慧勝介紹，當時制備的電池能量密度太低，以至于2016年該項目入選國家重點研發計劃項目的啟動會上，業內的很多專家仍不相信這可以做到。
 
怎樣才能制備高能量密度的纖維鋰離子電池？為攻克這一難題，團隊又花了8年的時間。2021年，團隊實現了高能量密度纖維電池的制備，一件纖維電池編織成的衣服產生的電量可以把10多部手機充滿。
 
由于柔性纖維電池和人體緊密接觸，對安全性要求極高。如何解決與人體相容的問題，又成了擺在團隊面前的一大挑戰。
 
彭慧勝介紹，此前電池中主要使用易漏易燃的有機液體電解質，無法滿足應用要求，如果將液體變成果凍狀的高分子凝膠電解質，就能解決穿著便攜的需求。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，又導致纖維鋰離子電池儲能性能非常低。
 
瓶頸的突破源于對自然的觀察和思考。有一天，彭慧勝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，分析其原理發現，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，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，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。
 
科研成果如何從實驗室走向生產線也是一個充滿挑戰的過程。
 
“我們和有經驗的人合作，自主設計建成了中試生產線。”彭慧勝介紹，通過自主設計關鍵設備，團隊建立了纖維電池中試生產線，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。
 
如今，團隊正在纖維電池的應用之路上做進一步探索。
 
團隊成員介紹，通過控制活性顆粒沉積速度、纖維螺旋纏繞角度等關鍵參數，團隊實現了制備過程的高度可控，得到的纖維電池電化學性質具有良好的一致性，為進一步大規模應用提供了有力支持。
“電池織物可以為大功率用電器安全供電，可以將加熱服在幾分鐘內加熱到60℃，有望應用在極地科考等領域中。”該論文三位共同第一作者之一的博士研究生江海波說。
 
團隊還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。
 
“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。”彭慧勝說。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 纖維電池
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