今后出門可以不帶“充電寶”，身上穿的衣服就能隨時(shí)為手機(jī)進(jìn)行無線充電?這一科幻場(chǎng)景正在變成現(xiàn)實(shí)!復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝團(tuán)隊(duì)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(fù)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(xué)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(píng)價(jià)這一成果是“儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)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(tuán)隊(duì)從2008年開始研究新型柔性電池系統(tǒng)，于2013年提出并實(shí)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(shí)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(bào)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(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士生何紀(jì)卿和路晨昊這樣說。
彭慧勝團(tuán)隊(duì)在長期研究中逐漸意識(shí)到，要實(shí)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(gè)重要科學(xué)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(tuán)隊(duì)通過大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(xué)性能。上述關(guān)系規(guī)律得到了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高效負(fù)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(dǎo)電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題。為此，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了高效負(fù)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(jī)、手環(huán)、心率監(jiān)測(cè)儀、血氧儀等可穿戴電子設(shè)備長時(shí)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(dá)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(fù)水洗、擠壓等嚴(yán)苛環(huán)境下，也可以保持較為穩(wěn)定的電化學(xué)性能。
進(jìn)一步通過紡織方法，團(tuán)隊(duì)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(jī)進(jìn)行無線充電。”何紀(jì)卿說。(記者姜澎 通訊員呂京笏)
