衣服、背包未来都可储存电力？复旦纤维织物可储能成果在《自然》发表

你是否想象过，柔软透气的衣服、时尚轻便的背包可以储存电力，方便地为手机、手表等随身电子器件供电？ 曾经存在于科幻小说中的场景，正在渐渐走进现实。

近日，复旦大学彭慧胜团队在高性能纤维电池以及电池织物的研究中取得新突破，通过设计具有孔道结构的纤维电极，实现电极与高分子凝胶电解质的有效复合，解决了高分子凝胶电解质与电极界面稳定性差的难题；发展出基于高分子凝胶电解质的纤维电池的连续化构建方法，实现了高安全性、高储能性能纤维电池的规模制备，建立了纤维电池织物的应用示范。

4月24日，相关研究成果以《基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池》（“High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte”）为题，发表于《自然》（Nature）主刊。该研究成功走通了柔性纤维电池研发的“最后一公里”，有望为人机交互、健康检测、智能传感等领域提供有效的能源解决方案。

纤维锂离子电池概念图 本文图片除单独标注外 均为复旦大学 供图

向爬山虎学习突破高分子凝胶/电极界面稳定性差的瓶颈

是否可以通过设计纤维结构获得柔软的锂离子电池？是否能制备高能量密度的纤维锂离子电池？是否能实现高安全性纤维锂离子电池？作为能源领域的一个全新研究方向，纤维锂离子电池在发展过程中面临着以上三个难题。

多卷纤维电池。

经过十多年探索研究，团队相继攻克了前两个难题。由于纤维电池织物和人体紧密贴合，对安全性要求极高，而此前电池中主要使用易漏易燃的有机电解质，无法满足应用要求，使用高安全性的高分子凝胶电解质是有效的解决方法。

然而，高分子凝胶电解质难以与纤维电极形成紧密稳定的接触界面，导致纤维锂离子电池储能性能非常低。因此，实现高安全性纤维电池的关键在于：如何解决高分子凝胶电解质与纤维电极界面不稳定的难题？

瓶颈的突破源于对自然的观察和思考。某一天，彭慧胜访问中国科学院上海硅酸盐研究所，注意到爬山虎可以紧密而稳定地缠绕在另一根植物藤蔓上，于是拔下来察看，回去后便调研爬山虎与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”的秘密：其原理在于爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体，该液体渗透到两者接触表面的孔道结构中，随后液体中的单体发生聚合反应，便将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。

爬山虎。

受此启发，团队设计了具有多层次网络孔道和取向孔道的纤维电极，并设计单体溶液使之渗入到纤维电极的孔道结构中，单体发生聚合反应后生成高分子凝胶电解质，从而与纤维电极形成紧密稳定的界面，进而实现了高安全性与高储能性能的兼得。

发展连续化制备方法建立纤维电池中试生产线

更进一步，团队发展出基于高分子凝胶电解质纤维电池的连续化制备方法，实现了纤维电池的大规模制备。

团队使用限域涂覆方法将活性颗粒高效沉积在纤维集流体上制备正负极纤维，并将多根纤维连续螺旋缠绕，得到具有孔道结构的纤维电极；使单体溶液沿孔道高效浸润电极并原位固化，接着使用高分子熔融挤出方法连续包覆柔性封装层，最终得到纤维电池。

基于上述连续化制备方法，团队实现了数千米长度纤维锂离子电池的制备，其能量密度达到128 瓦时/公斤，实现5C大电流供电，可有效为无人机等大功率用电器供电，同时具有优异的耐变形能力，在经历100000次弯折变形后容量保持率大于96%。

此外，这个思路还显示出良好普适性，适用于不同材料体系纤维电池的制备，得到的纤维电池均显示出稳定的充放电性能。

通过自主设计关键设备，团队建立了以活性浆料涂覆、高分子隔离膜包覆、纤维螺旋缠绕、凝胶电解质复合以及高分子熔融封装为核心步骤的纤维电池中试生产线，实现每小时300瓦时的产能，“相当于每小时生产的电池可同时为20部手机充电。”团队成员介绍。同时，通过控制活性颗粒沉积速度、纤维螺旋缠绕角度等关键参数，团队实现了制备过程的高度可控，得到的纤维电池电化学性质具有良好的一致性，为进一步大规模应用提供了有力支持。

从无线充电手提包到多功能消防服

如今，团队正在纤维电池的应用之路上进行探索。

长电池布

他们使用工业编织方法制备了大面积纤维电池织物，并系统研究了织物的安全性。对于典型的50厘米×30厘米大小的电池织物，容量可达到2975毫安时，与常用手机电池相当，可满足多种设备的用电需求。在相关工业标准的要求下，电池织物在经受大电流充放电、过压充电和欠压放电、高温存储后没有发生泄漏、着火等安全事故，显示出良好的安全性和稳定性。电池织物在高低温、真空环境中及外力破坏下仍可以安全稳定地为用电器供电，有望应用于消防救灾、极地科考、航空航天等重要领域。

为了更直观地展示纤维锂离子电池的应用潜力，团队率先试制了一款可充电概念包。记者在复旦大学的展品演示现场看到，该包型外观就和正常手提包一致，但是在包的内部集成了纤维锂离子电池和相关电路，只要将具备无线充电功能的手机放入包内就可以开始充电，并且在变形、水洗、强紫外照射后仍能稳定供电。

消防服。

团队还进一步制作了多功能消防服，在高温火场的模拟环境中，电池织物在即使被磨损剪断后仍没有发生着火、爆炸等安全事故，并稳定地为对讲机、传感器等消防员随身设备供电。

此外，电池织物可以为大功率用电器安全供电，如可以将加热服在几分钟内加热到60摄氏度，有望应用在极地科考等领域中。

“纤维电池的应用场景拥有非常广阔的想象空间，比如应用于软体机器人、虚拟现实设备等等，应用场景需要大家一起开拓。” 团队成员路晨昊如是期待中。

从提出科学概念到实现工业化产品，彭慧胜团队致力于让科研成果走出实验室，在不懈努力下，纤维电池的初步应用正在实现。下一步，团队期待与产业界加强合作，进一步提升新型纤维锂离子电池性能，降低其成本，推动纤维电池的广泛应用。

中国科学院院士、复旦大学高分子科学系和纤维电子材料与器件研究院教授彭慧胜为该论文通讯作者，复旦大学高分子科学系和纤维电子材料与器件研究院博士后路晨昊、博士研究生江海波、博士研究生程翔然为共同第一作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。

来源：澎湃新闻