今后出門可以不帶“充電寶”，身上穿的衣服就能隨時為手機進行無線充電?這一科幻場景正在變成現(xiàn)實!復旦大學高分子科學系彭慧勝團隊通過系統(tǒng)揭示纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度的變化規(guī)律，有效解決了聚合物復合活性材料和纖維電極界面穩(wěn)定性難題，連續(xù)構(gòu)建出兼具良好安全性和綜合電化學性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。日前，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》(Nature)主刊。審稿人評價這一成果是“儲能領(lǐng)域和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑研究”，“柔性電子領(lǐng)域的一個里程碑”。
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。彭慧勝團隊從2008年開始研究新型柔性電池系統(tǒng)，于2013年提出并實現(xiàn)了新型纖維鋰離子電池，為有效滿足智能電子織物等可穿戴設(shè)備能源供給需求提供了新路徑。但是，這一技術(shù)投入實際應(yīng)用，卻面臨眾多難題。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，國際上纖維鋰電池的連續(xù)化制備研究幾乎是空白，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。
迄今為止報道的纖維鋰離子電池長度往往在厘米尺度，且基于整體質(zhì)量的能量密度也比較低。“纖維鋰離子電池就如同毛線，要織成一件可充電毛衣，必須有足夠長的毛線。”論文的共同第一作者、復旦大學高分子科學系博士生何紀卿和路晨昊這樣說。
彭慧勝團隊在長期研究中逐漸意識到，要實現(xiàn)纖維鋰離子電池的連續(xù)化構(gòu)建，首先需要解決一個重要科學問題——從源頭上厘清纖維電池內(nèi)阻和長度的關(guān)系規(guī)律。
團隊通過大量的預實驗篩選，最終發(fā)現(xiàn)并揭示出纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度增加先減小后逐步趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。并且，使用纖維集流體的導電率越高，越能有效降低纖維鋰離子電池的內(nèi)阻，有利于提升連續(xù)長纖維電池的電化學性能。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)建提供了有力的理論支撐和依據(jù)。
要實現(xiàn)高效負載纖維鋰離子電池活性材料的高效連續(xù)制備，必須有效解決活性材料與導電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題。為此，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)化方法等一系列新的技術(shù)方法。長度為1米的電池，可以為智能手機、手環(huán)、心率監(jiān)測儀、血氧儀等可穿戴電子設(shè)備長時間連續(xù)有效供電。
此外，纖維鋰離子電池還具有良好的循環(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%。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%;甚至在重復水洗、擠壓等嚴苛環(huán)境下，也可以保持較為穩(wěn)定的電化學性能。
進一步通過紡織方法，團隊已獲得了高性能的大面積電池織物。“如果將電池織物和無線充電發(fā)射裝置集成，就可安全、穩(wěn)定地為智能手機進行無線充電。”何紀卿說。(記者姜澎 通訊員呂京笏)
