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復旦大學彭慧勝團隊在高分子纖維器件領域取得新進展，發(fā)現(xiàn)了纖維鋰離子電池內(nèi)阻與長度之間的雙曲余切函數(shù)關系，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)構建出兼具高安全性和高性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。
相關研究成果以“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”為題，于2021年9月1日發(fā)表在Nature上，審稿人評價這個工作是“儲能領域和可穿戴技術領域的里程碑研究”（“l(fā)andmark research not only in energy storage but also in wearable technology”）和“柔性電子領域的一個里程碑”（“a milestone towards the prevalence of flexible electronics”）。
高分子科學系博士生何紀卿和路晨昊為共同第一作者。
作為現(xiàn)代電子設備的“心臟”，以鋰離子電池為代表的儲能器件是現(xiàn)代電子工業(yè)和人們生活不可或缺的組成部分。近年來，智能電子織物可實現(xiàn)器件功能、紡織方法、織物形態(tài)的有機融合，兼具智能、柔軟、適應復雜形變、透氣導濕等優(yōu)點，是未來可穿戴等領域的重要發(fā)展方向。 彭慧勝團隊從2008年開始研究新型柔性電池系統(tǒng)，在2013年提出并實現(xiàn)了新型纖維鋰離子電池，為滿足智能電子織物等可穿戴設備的能源供給需求提供了新的有效路徑，有望推動傳統(tǒng)紡織制造和物聯(lián)網(wǎng)、人機交互、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領域的快速融合發(fā)展。 經(jīng)過最近幾年國際學術界的共同努力，纖維鋰離子電池取得了系列積極進展，但仍然面臨一些重大難題，限制了它的實際應用。一方面，過去人們通常認為纖維鋰離子電池越長其內(nèi)阻就越大，很難實現(xiàn)較長的纖維鋰離子電池；另一方面，面向塊狀鋰離子電池的成熟生產(chǎn)體系很難適用于纖維鋰離子電池，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往往在厘米尺度，基于整體質(zhì)量的能量密度也比較低（如<1 Wh/kg）（圖1 a）。 彭慧勝團隊在研究纖維鋰離子電池連續(xù)化制備的過程中意外發(fā)現(xiàn)，纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度增加而降低，進一步探究發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池的內(nèi)阻與長度呈雙曲余切函數(shù)關系，即隨著長度的增加內(nèi)阻先降低后逐步趨于穩(wěn)定。使用導電率較高的纖維集流體，有利于降低纖維鋰離子電池的內(nèi)阻（圖1 b）。上述關系規(guī)律得到了系統(tǒng)的實驗驗證，為纖維鋰離子電池的連續(xù)構建奠定了理論基礎。 圖1：a) 連續(xù)的纖維鋰離子電池可以有效滿足各種電子產(chǎn)品的用電需求；b) 纖維集流體電導率對纖維鋰離子電池內(nèi)阻和長度關系的影響。 進一步，彭慧勝團隊發(fā)展出了高效負載纖維鋰離子電池活性材料的連續(xù)化方法，有效解決了聚合物復合活性層與導電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題，并通過自主設計和建立面向纖維鋰離子電池連續(xù)構建的標準化裝置（圖2 a），實現(xiàn)了活性材料在千米級光滑纖維表面的高效負載和精準調(diào)控，獲得到了高負載量、涂覆均勻和容量高度匹配的正、負極纖維材料（圖2 b）。進一步將正極纖維和包覆隔膜的負極纖維進行纏繞組裝，并進行有效的封裝，最終實現(xiàn)了高性能纖維鋰離子電池的連續(xù)化制備（圖2 c-f）。 圖2：a) 分別為纖維鋰離子電池連續(xù)化制備裝置；b) 纖維鋰離子中電池活性材料的高效連續(xù)涂覆；c-f) 纖維鋰離子電池的連續(xù)化組裝。 纖維鋰離子電池的容量隨長度線性增加。長度為1米時，纖維鋰離子電池容量為25 mAh，可以為心率監(jiān)測儀和血氧儀等商用可穿戴設備提供超過2天的使用電能?；谡w質(zhì)量的能量密度超過85 Wh/kg。同時，纖維鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池的容量保持率仍然達到90.5%，庫倫效率為99.8%。即使在曲率半徑為1厘米的情況下，將纖維鋰離子電池彎折10萬次后，其容量保持率仍大于80%。進一步通過紡織方法，獲得了高性能和高安全性的大面積電池織物（圖3 a-e）。如果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（圖3 f-h）。此外，研究團隊通過將纖維鋰離子電池和纖維傳感器與顯示織物集成，實現(xiàn)了智能織物系統(tǒng)對人體汗液中鈉離子和鈣離子濃度的實時監(jiān)控和信號傳輸與顯示，為后期相關醫(yī)療方面的應用提供了可能。 圖3：a-e) 通過紡織方法獲得高性能和高安全性的纖維鋰離子電池織物；f-h) 纖維鋰離子電池織物為智能手機進行無線充電。 從新現(xiàn)象到新規(guī)律，到連續(xù)構建關鍵技術的突破，到幾乎所有核心設備的自主研發(fā)，再到工程化連續(xù)制備路線的不斷提高……團隊從未止步。通過十多年持續(xù)不斷的深入研究，已經(jīng)把纖維電池從實驗室樣品發(fā)展到了產(chǎn)品模型，特別是實現(xiàn)了高安全性纖維聚合物鋰離子電池的連續(xù)化構建，并致力于推動纖維電池和織物系統(tǒng)的規(guī)?；瘧醚芯俊！拔覀兲貏e期待鋰離子電池領域產(chǎn)業(yè)界的合作者加入進來，在較短時間內(nèi)有效解決新型電池體系在生產(chǎn)和實際應用中面臨的各種問題”，研究團隊對纖維電池的未來發(fā)展充滿期待。 該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目支持。 相關論文信息：
參考資料：https://mp.weixin.qq.com/s/SOgdUI3fkJmAzYbZr52WKg
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