可(ke)穿(chuan)戴電(dian)(dian)(dian)(dian)子設(she)備(bei)產(chan)品(pin)發展需(xu)要(yao)有(you)(you)合(he)乎(hu)應用需(xu)求的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)作為電(dian)(dian)(dian)(dian)源，據行(xing)業相(xiang)關報(bao)道指出已經有(you)(you)了(le)一(yi)種叫纖維(wei)鋰離子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)產(chan)品(pin)，其(qi)具有(you)(you)良好的(de)柔性，甚(shen)至可(ke)以“織”成衣服，出門不需(xu)要(yao)帶充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器和充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)寶(bao)，通過身上穿(chuan)的(de)衣服，就可(ke)以對手(shou)機進(jin)行(xing)無(wu)線充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)——聽起來像科幻片的(de)這一(yi)場(chang)景，正在逐步(bu)成為現實。

纖維鋰離子電池具有良好(hao)的(de)(de)(de)循環(huan)穩定性(xing)，循環(huan)500圈后(hou)，電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)容量保持率仍(reng)然達(da)到90.5%，庫(ku)倫效率為(wei)99.8%；在曲率半徑為(wei)1厘米(mi)的(de)(de)(de)情況下(xia)，將纖維鋰離子(zi)電(dian)池(chi)彎(wan)折(zhe)10萬次(ci)后(hou)，其容量保持率仍(reng)大(da)于(yu)80%；甚(shen)至在重復水(shui)洗、擠壓等嚴(yan)苛環(huan)境下(xia)也可以保持較為(wei)穩定的(de)(de)(de)電(dian)化學性(xing)能。

這正是(shi)復旦大學高(gao)分子科學系彭慧(hui)勝(sheng)團隊的(de)研(yan)究方(fang)向之一。近日(ri)，團隊通過系統(tong)揭示纖(xian)維(wei)鋰(li)離(li)子電(dian)池內阻(zu)隨(sui)長度的(de)變化規律，有(you)效解決了聚(ju)合(he)物復合(he)活性(xing)材料(liao)和(he)纖(xian)維(wei)電(dian)極界(jie)面(mian)穩(wen)定(ding)性(xing)難(nan)題，連續(xu)構建出兼具良好(hao)安全性(xing)和(he)綜合(he)電(dian)化學性(xing)能(neng)的(de)新(xin)型纖(xian)維(wei)聚(ju)合(he)物鋰(li)離(li)子電(dian)池。

相關(guan)研究(jiu)成果以《高性能纖維鋰離子(zi)電(dian)池(chi)的規模化(hua)構建》為題，發表于《自然》雜志主(zhu)刊。審稿人評價這項工作是“儲(chu)能領(ling)域和(he)可穿戴技(ji)術領(ling)域的里程碑研究(jiu)”和(he)“柔性電(dian)子(zi)領(ling)域的一個里程碑”。該研究(jiu)得到科(ke)(ke)技(ji)部(bu)、國(guo)家自然科(ke)(ke)學基金委、上海(hai)市科(ke)(ke)委等(deng)項目(mu)支(zhi)持。

作為現(xian)代電(dian)(dian)子設備(bei)的(de)“心臟”，以鋰離子電(dian)(dian)池(chi)為代表(biao)的(de)儲能器件是現(xian)代電(dian)(dian)子工(gong)業和人們生活不可(ke)或缺的(de)組成部分。彭慧勝團隊從2008年開始研究(jiu)新型柔性(xing)電(dian)(dian)池(chi)系(xi)統，在2013年提出并研制了(le)新型纖維鋰離子電(dian)(dian)池(chi)，為有效滿(man)足智能電(dian)(dian)子織物(wu)等可(ke)穿戴設備(bei)能源供(gong)給需求(qiu)提供(gong)了(le)新路徑。

經(jing)過最(zui)近幾年國際(ji)(ji)學術界的共同努力，纖(xian)(xian)維鋰離子(zi)電(dian)池(chi)研究(jiu)取得了系(xi)列積(ji)極進展，但仍然面(mian)臨一些重大難題，限制(zhi)了其實際(ji)(ji)應用(yong)。其關(guan)鍵挑(tiao)戰在于，面(mian)向塊狀鋰離子(zi)電(dian)池(chi)的成熟生產體系(xi)很難適用(yong)于纖(xian)(xian)維鋰離子(zi)電(dian)池(chi)，而國際(ji)(ji)上纖(xian)(xian)維鋰電(dian)池(chi)的連(lian)續化(hua)制(zhi)備(bei)研究(jiu)幾乎是空白。迄(qi)今為止報(bao)道的纖(xian)(xian)維鋰離子(zi)電(dian)池(chi)長度(du)往往在厘米尺度(du)，并且基于整體質量的能量密(mi)度(du)也比(bi)較低(di)。

“纖(xian)維(wei)鋰離子電池就(jiu)如同毛(mao)線(xian)(xian)，要(yao)織成一件可以(yi)充電的(de)(de)毛(mao)衣，必須保證有(you)足(zu)夠(gou)長的(de)(de)毛(mao)線(xian)(xian)。”上述論文(wen)的(de)(de)共同第(di)一作者、復(fu)旦大學高分子科學系博士生(sheng)何(he)紀卿和路晨昊形容(rong)道。

研(yan)究團隊在長期研(yan)究過程中逐漸意識到，要(yao)(yao)(yao)實(shi)現纖(xian)維(wei)鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)連(lian)續(xu)(xu)化構(gou)建，首(shou)先(xian)需要(yao)(yao)(yao)解(jie)決的(de)(de)一個重(zhong)要(yao)(yao)(yao)科學(xue)問題，那就是要(yao)(yao)(yao)從源頭上厘清纖(xian)維(wei)電(dian)(dian)(dian)池內阻(zu)和(he)長度的(de)(de)關(guan)系(xi)規律(lv)。團隊成(cheng)員突破以往的(de)(de)研(yan)究思路，通(tong)過大(da)量的(de)(de)預實(shi)驗(yan)篩選，廣泛嘗試了(le)不同電(dian)(dian)(dian)學(xue)特(te)性(xing)的(de)(de)纖(xian)維(wei)集流體材(cai)料(liao)，最終發現并(bing)揭示(shi)出(chu)纖(xian)維(wei)鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池內阻(zu)隨長度增(zeng)加先(xian)減(jian)小后(hou)逐步趨于(yu)(yu)穩定的(de)(de)變(bian)化規律(lv)。并(bing)且纖(xian)維(wei)集流體的(de)(de)導(dao)電(dian)(dian)(dian)率越(yue)高(gao)，越(yue)能(neng)有(you)(you)效降低纖(xian)維(wei)鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)內阻(zu)，從而有(you)(you)利于(yu)(yu)提(ti)升連(lian)續(xu)(xu)長纖(xian)維(wei)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化學(xue)性(xing)能(neng)。上述(shu)關(guan)系(xi)規律(lv)得到了(le)系(xi)統的(de)(de)實(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)，為(wei)纖(xian)維(wei)鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)連(lian)續(xu)(xu)構(gou)建提(ti)供了(le)有(you)(you)力的(de)(de)理論支撐(cheng)和(he)依據。

創新路線，實現連(lian)續化制備

要實現(xian)高效(xiao)負載纖維(wei)鋰離子(zi)電(dian)(dian)池活性(xing)(xing)(xing)材料(liao)的(de)高效(xiao)連(lian)續(xu)制(zhi)備(bei)，必須有效(xiao)解決(jue)活性(xing)(xing)(xing)材料(liao)與導(dao)電(dian)(dian)纖維(wei)集流體的(de)界面穩定性(xing)(xing)(xing)難(nan)題。“在(zai)纖維(wei)表面進行涂覆(fu)(fu)時很容易(yi)產生串珠(zhu)等涂覆(fu)(fu)不均勻的(de)現(xian)象(xiang)，就像糖葫蘆一樣，嚴重影響了纖維(wei)電(dian)(dian)極制(zhi)備(bei)的(de)連(lian)續(xu)性(xing)(xing)(xing)和電(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)化學性(xing)(xing)(xing)能。”何紀卿解釋道(dao)，經典的(de)平面涂覆(fu)(fu)方法很難(nan)適用于高曲(qu)率的(de)纖維(wei)。

為此，團(tuan)隊發展出了(le)高(gao)(gao)效負載纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)鋰(li)離子(zi)電(dian)池(chi)活性(xing)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)連(lian)(lian)續化方法，通(tong)過調控正負極(ji)(ji)(ji)活性(xing)材(cai)(cai)料(liao)組分(fen)和(he)黏附力，有(you)效解(jie)決了(le)聚合(he)物(wu)(wu)復合(he)活性(xing)材(cai)(cai)料(liao)與導(dao)電(dian)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)集流(liu)體的(de)(de)(de)界面穩定性(xing)難(nan)題，并(bing)自(zi)主設計和(he)建立了(le)面向纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)鋰(li)離子(zi)電(dian)池(chi)連(lian)(lian)續構建的(de)(de)(de)標準化裝置，實現了(le)活性(xing)材(cai)(cai)料(liao)在千米(mi)級光滑纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)表面的(de)(de)(de)高(gao)(gao)效負載和(he)精準控制，獲得到(dao)了(le)高(gao)(gao)負載量(liang)、涂(tu)覆均勻和(he)容量(liang)高(gao)(gao)度(du)匹配的(de)(de)(de)正、負極(ji)(ji)(ji)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)極(ji)(ji)(ji)材(cai)(cai)料(liao)。團(tuan)隊進一(yi)步(bu)將正極(ji)(ji)(ji)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)和(he)包覆高(gao)(gao)分(fen)子(zi)隔膜(mo)的(de)(de)(de)負極(ji)(ji)(ji)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)進行(xing)纏(chan)繞組裝，并(bing)進行(xing)有(you)效的(de)(de)(de)封(feng)裝和(he)電(dian)解(jie)液注(zhu)入，最(zui)終(zhong)實現了(le)高(gao)(gao)性(xing)能纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)聚合(he)物(wu)(wu)鋰(li)離子(zi)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)連(lian)(lian)續化制備(bei)。所制得的(de)(de)(de)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)池(chi)容量(liang)隨(sui)長度(du)線性(xing)增加，顯(xian)示該構建路線具有(you)良好的(de)(de)(de)可靠性(xing)。

應用(yong)前景(jing)廣闊(kuo)，普及任重道遠(yuan)

復旦大學彭(peng)慧勝、陳培寧的團隊論文《大面積顯(xian)示織(zhi)物(wu)及其功能集成(cheng)系統》發(fa)表于《自然》雜志主刊，他們自主研發(fa)的全柔(rou)性織(zhi)物(wu)顯(xian)示系統，可緊貼人體不規則輪廓(kuo)，像(xiang)普(pu)通織(zhi)物(wu)一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒(shu)適度。

談(tan)起這一(yi)成果，彭慧勝(sheng)表示：“前者(zhe)是(shi)用電，我們(men)現在的這個研(yan)究(jiu)是(shi)供電，二者(zhe)完全不同(tong)但又緊密相關。”

該(gai)纖(xian)(xian)維(wei)鋰聚合物離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)表現出了(le)良好(hao)的(de)(de)綜合性能(neng)，顯示了(le)廣闊的(de)(de)應用前景。基(ji)于包括封裝(zhuang)材料在(zai)內的(de)(de)全電(dian)(dian)池(chi)重量(liang)，其(qi)能(neng)量(liang)密度超過85瓦(wa)時/千克（Wh/kg），長度為(wei)(wei)1米的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)可(ke)以為(wei)(wei)智(zhi)能(neng)手(shou)機、手(shou)環、心(xin)率(lv)(lv)監測(ce)儀(yi)、血氧儀(yi)等可(ke)穿戴(dai)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)設備長時間連續有效供電(dian)(dian)；纖(xian)(xian)維(wei)鋰離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)還具有良好(hao)的(de)(de)循(xun)環穩定(ding)(ding)性，循(xun)環500圈后(hou)，電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)容(rong)量(liang)保(bao)持(chi)(chi)率(lv)(lv)仍然(ran)達(da)到90.5%，庫倫效率(lv)(lv)為(wei)(wei)99.8%；在(zai)曲率(lv)(lv)半徑為(wei)(wei)1厘(li)米的(de)(de)情況下，將纖(xian)(xian)維(wei)鋰離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)彎折10萬次后(hou)，其(qi)容(rong)量(liang)保(bao)持(chi)(chi)率(lv)(lv)仍大于80%；甚至在(zai)重復(fu)水洗(xi)、擠壓等嚴苛環境(jing)下也可(ke)以保(bao)持(chi)(chi)較為(wei)(wei)穩定(ding)(ding)的(de)(de)電(dian)(dian)化學性能(neng)。進(jin)一步通過紡(fang)織(zhi)(zhi)方法，團隊已經獲得了(le)高性能(neng)的(de)(de)大面積電(dian)(dian)池(chi)織(zhi)(zhi)物。“如果將電(dian)(dian)池(chi)織(zhi)(zhi)物和無(wu)線充(chong)電(dian)(dian)發射(she)裝(zhuang)置集成，可(ke)安全、穩定(ding)(ding)地為(wei)(wei)智(zhi)能(neng)手(shou)機進(jin)行無(wu)線充(chong)電(dian)(dian)。”何紀(ji)卿(qing)說。

從新現象到(dao)(dao)新規律(lv)，到(dao)(dao)連續構(gou)建(jian)(jian)關鍵(jian)技術的(de)(de)(de)(de)突破，到(dao)(dao)幾乎所有核(he)心設備(bei)的(de)(de)(de)(de)自(zi)主研(yan)發，再到(dao)(dao)工程化連續制備(bei)路線的(de)(de)(de)(de)不斷(duan)提高……團隊(dui)從未止(zhi)步。通過(guo)十多年持(chi)續不斷(duan)的(de)(de)(de)(de)深入研(yan)究，團隊(dui)已(yi)經(jing)把纖(xian)維(wei)(wei)電(dian)池(chi)(chi)從實(shi)驗室樣品發展到(dao)(dao)了產(chan)品模型，特別是實(shi)現了高安全性纖(xian)維(wei)(wei)聚合(he)物(wu)鋰離子電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)連續化構(gou)建(jian)(jian)，并致力于(yu)推(tui)動(dong)纖(xian)維(wei)(wei)電(dian)池(chi)(chi)和織物(wu)系統的(de)(de)(de)(de)規模化應用研(yan)究。

“可(ke)穿戴(dai)纖維鋰(li)離子(zi)電池的(de)很多(duo)功能已經實(shi)現，但(dan)對于真(zhen)正的(de)推廣普及(ji)來說，依然(ran)任重道遠。”彭慧勝(sheng)說。

從電池(chi)本身來(lai)說，目前纖維聚合物(wu)鋰(li)離子(zi)電池(chi)與生活(huo)中常(chang)用的(de)(de)(de)平面電池(chi)的(de)(de)(de)能(neng)量密度相比，還(huan)有較大的(de)(de)(de)提升空間；也需要發(fa)展面向纖維聚合物(wu)鋰(li)離子(zi)電池(chi)構建(jian)、性能(neng)評(ping)估(gu)和使用的(de)(de)(de)行(xing)業標準或規范(fan)，推動(dong)其工程轉(zhuan)化(hua)和市場(chang)化(hua)應用；此外，在(zai)很多應用方面如可穿戴領域，還(huan)需要更(geng)加(jia)先進的(de)(de)(de)編(bian)(bian)織技(ji)術，將纖維鋰(li)離子(zi)電池(chi)高效地(di)編(bian)(bian)織到各種衣物(wu)中，使穿著更(geng)舒適、更(geng)美(mei)觀。

彭慧勝表示，期待鋰離子電池(chi)(chi)領(ling)域產業界的合作者加(jia)入，共同探索(suo)解決新型電池(chi)(chi)體系在生產和(he)實際應用中面臨(lin)的各種(zhong)問題。