復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高性能纖維電池規(guī)模制備

時(shí)間:2024-05-13 18:48來源:中國(guó)教育報(bào) 作者:任朝霞
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在復(fù)旦大學(xué)光華樓，中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系和纖維電子材料與器件研究院教授彭慧勝向記者展示了一款由特殊纖維電池織物制成的可充電概念背包：“把手機(jī)放在包里，就可以自動(dòng)充電。”包的外觀和普通的包沒有什么區(qū)別，它卻能夠隨時(shí)隨地安全穩(wěn)定地為手機(jī)、手表等充電。
 
近日，彭慧勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功走通了柔性纖維電池研發(fā)的“最后一公里”，實(shí)現(xiàn)了高安全性、高儲(chǔ)能性能纖維電池的規(guī)模制備。這也意味著，穿著柔軟透氣的衣服、背著時(shí)尚輕便的背包就可以為手機(jī)充電等曾經(jīng)存在于科幻小說中的場(chǎng)景，正漸漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
 
4月24日，團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果以《基于高分子凝膠電解質(zhì)的高性能纖維電池》為題發(fā)表于《自然》主刊。該成果有望為人機(jī)交互、健康檢測(cè)、智能傳感等領(lǐng)域提供有效的能源解決方案。
 
“2008年我們就開始了這個(gè)方向的研究，當(dāng)時(shí)想得很簡(jiǎn)單，就是覺得柔性纖維儲(chǔ)能器件很有趣。”彭慧勝說，“相關(guān)研究‘此前沒有被報(bào)道’，這讓我們感到十分興奮。”
 
能不能通過設(shè)計(jì)纖維結(jié)構(gòu)獲得柔軟的鋰離子電池？研究團(tuán)隊(duì)用了5年時(shí)間終于得出了肯定的結(jié)論。“思路被證明是可行的，然而，實(shí)踐之路卻是漫長(zhǎng)的。”彭慧勝介紹，當(dāng)時(shí)制備的電池能量密度太低，以至于2016年該項(xiàng)目入選國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的啟動(dòng)會(huì)上，業(yè)內(nèi)的很多專家仍不相信這可以做到。
 
怎樣才能制備高能量密度的纖維鋰離子電池？為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)又花了8年的時(shí)間。2021年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高能量密度纖維電池的制備，一件纖維電池編織成的衣服產(chǎn)生的電量可以把10多部手機(jī)充滿。
 
由于柔性纖維電池和人體緊密接觸，對(duì)安全性要求極高。如何解決與人體相容的問題，又成了擺在團(tuán)隊(duì)面前的一大挑戰(zhàn)。
 
彭慧勝介紹，此前電池中主要使用易漏易燃的有機(jī)液體電解質(zhì)，無法滿足應(yīng)用要求，如果將液體變成果凍狀的高分子凝膠電解質(zhì)，就能解決穿著便攜的需求。然而，高分子凝膠電解質(zhì)難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，又導(dǎo)致纖維鋰離子電池儲(chǔ)能性能非常低。
 
瓶頸的突破源于對(duì)自然的觀察和思考。有一天，彭慧勝注意到爬山虎可以緊密而穩(wěn)定地纏繞在另一根植物藤蔓上，分析其原理發(fā)現(xiàn)，爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤(rùn)性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結(jié)構(gòu)中，將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。
 
受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有多層次網(wǎng)絡(luò)孔道和取向孔道的纖維電極，并設(shè)計(jì)單體溶液使之滲入到纖維電極的孔道結(jié)構(gòu)中，單體發(fā)生聚合反應(yīng)后生成高分子凝膠電解質(zhì)，從而與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的界面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高安全性與高儲(chǔ)能性能的兼得。
 
科研成果如何從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線也是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的過程。
 
“我們和有經(jīng)驗(yàn)的人合作，自主設(shè)計(jì)建成了中試生產(chǎn)線。”彭慧勝介紹，通過自主設(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，團(tuán)隊(duì)建立了纖維電池中試生產(chǎn)線，發(fā)展出基于高分子凝膠電解質(zhì)纖維電池的連續(xù)化制備方法，實(shí)現(xiàn)了纖維電池的大規(guī)模制備。
 
如今，團(tuán)隊(duì)正在纖維電池的應(yīng)用之路上做進(jìn)一步探索。
 
團(tuán)隊(duì)成員介紹，通過控制活性顆粒沉積速度、纖維螺旋纏繞角度等關(guān)鍵參數(shù)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了制備過程的高度可控，得到的纖維電池電化學(xué)性質(zhì)具有良好的一致性，為進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用提供了有力支持。
“電池織物可以為大功率用電器安全供電，可以將加熱服在幾分鐘內(nèi)加熱到60℃，有望應(yīng)用在極地科考等領(lǐng)域中。”該論文三位共同第一作者之一的博士研究生江海波說。
 
團(tuán)隊(duì)還制作了多功能消防服，在高溫火場(chǎng)的模擬環(huán)境中，電池織物即使被磨損剪斷后仍沒有發(fā)生著火、爆炸等安全事故，并穩(wěn)定地為對(duì)講機(jī)、傳感器等消防員隨身設(shè)備供電。
 
“下一步，團(tuán)隊(duì)期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，進(jìn)一步提升新型纖維鋰離子電池性能，降低其成本，推動(dòng)纖維電池的廣泛應(yīng)用。”彭慧勝說。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 纖維電池
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