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复旦大学团队实现高性能纤维电池规模制备

时间:2024-05-13 18:48来源:中国教育报 作者:任朝霞
点击: 次
在复旦大学光华楼，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向记者展示了一款由特殊纤维电池织物制成的可充电概念背包：“把手机放在包里，就可以自动充电。”包的外观和普通的包没有什么区别，它却能够随时随地安全稳定地为手机、手表等充电。
 
近日，彭慧胜带领团队成功走通了柔性纤维电池研发的“最后一公里”，实现了高安全性、高储能性能纤维电池的规模制备。这也意味着，穿着柔软透气的衣服、背着时尚轻便的背包就可以为手机充电等曾经存在于科幻小说中的场景，正渐渐走进现实。
 
4月24日，团队相关研究成果以《基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池》为题发表于《自然》主刊。该成果有望为人机交互、健康检测、智能传感等领域提供有效的能源解决方案。
 
“2008年我们就开始了这个方向的研究，当时想得很简单，就是觉得柔性纤维储能器件很有趣。”彭慧胜说，“相关研究‘此前没有被报道’，这让我们感到十分兴奋。”
 
能不能通过设计纤维结构获得柔软的锂离子电池？研究团队用了5年时间终于得出了肯定的结论。“思路被证明是可行的，然而，实践之路却是漫长的。”彭慧胜介绍，当时制备的电池能量密度太低，以至于2016年该项目入选国家重点研发计划项目的启动会上，业内的很多专家仍不相信这可以做到。
 
怎样才能制备高能量密度的纤维锂离子电池？为攻克这一难题，团队又花了8年的时间。2021年，团队实现了高能量密度纤维电池的制备，一件纤维电池编织成的衣服产生的电量可以把10多部手机充满。
 
由于柔性纤维电池和人体紧密接触，对安全性要求极高。如何解决与人体相容的问题，又成了摆在团队面前的一大挑战。
 
彭慧胜介绍，此前电池中主要使用易漏易燃的有机液体电解质，无法满足应用要求，如果将液体变成果冻状的高分子凝胶电解质，就能解决穿着便携的需求。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，又导致纤维锂离子电池储能性能非常低。
 
瓶颈的突破源于对自然的观察和思考。有一天，彭慧胜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，分析其原理发现，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，将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。
 
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。
 
科研成果如何从实验室走向生产线也是一个充满挑战的过程。
 
“我们和有经验的人合作，自主设计建成了中试生产线。”彭慧胜介绍，通过自主设计关键设备，团队建立了纤维电池中试生产线，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。
 
如今，团队正在纤维电池的应用之路上做进一步探索。
 
团队成员介绍，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。
“电池织物可以为大功率用电器安全供电，可以将加热服在几分钟内加热到60℃，有望应用在极地科考等领域中。”该论文三位共同第一作者之一的博士研究生江海波说。
 
团队还制作了多功能消防服，在高温火场的模拟环境中，电池织物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。
 
“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。”彭慧胜说。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 纤维电池
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