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復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團隊在高分子纖維器件領(lǐng)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(guān)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(gòu)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(guān)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(lǐng)域和可穿戴技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)域的一個里程碑”（“a milestone towards the prevalence of flexible electronics”）。
高分子科學(xué)系博士生何紀(jì)卿和路晨昊為共同第一作者。
作為現(xiàn)代電子設(shè)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(yīng)復(fù)雜形變、透氣導(dǎo)濕等優(yōu)點，是未來可穿戴等領(lǐng)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(shè)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(lǐng)域的快速融合發(fā)展。 經(jīng)過最近幾年國際學(xué)術(shù)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(yīng)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(guān)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(dǎo)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(guān)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(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。 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(dǎo)率對纖維鋰離子電池內(nèi)阻和長度關(guān)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(fù)合活性層與導(dǎo)電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題，并通過自主設(shè)計和建立面向纖維鋰離子電池連續(xù)構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)備提供超過2天的使用電能。基于整體質(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(guān)醫(yī)療方面的應(yīng)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(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的突破，到幾乎所有核心設(shè)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(gòu)建，并致力于推動纖維電池和織物系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用研究?！拔覀兲貏e期待鋰離子電池領(lǐng)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(yīng)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(xué)基金委、上海市科委等項目支持。 相關(guān)論文信息：
參考資料：https://mp.weixin.qq.com/s/SOgdUI3fkJmAzYbZr52WKg
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