把电池织进衣服！复旦大学彭慧胜团队开发大规模连续制备纤维电池新方法

　　2022年1月21日，复旦大学彭慧胜团队在NatureNanotechnology发表题为Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method的文章。团队研发了一种能连续化的生产和编织的纤维电池，实现千米级纤维锂、钠和锌电池的规模化生产。目前，课题组正积极寻求与产业界合作，解决纤维电池封装等问题，进一步推进纤维电池的产业化。
　　果壳硬科技邀请了论文第一作者廖萌博士针对团队成果进行解读，以下为廖萌博士撰写的分享内容。
　　从＂纤维电池＂到＂织物电池＂ | 参考文献[1]
　　从块状电池到＂纤维电池＂
　　如果能将电池制备成柔性可弯曲的＂纤维＂，再把＂电池纤维＂编织成柔软透气的衣物穿在身上，我们就可以随时随地为手机等各种电子设备充电，告别＂电量焦虑＂。若这种 ＂电池织物＂具有高柔性、透气性，并表现出较高能量密度和高安全性，则有望进一步推动可穿戴电子产品的发展。
　　近20年来，电子设备不断向轻薄化、微型化、柔性化和集成化的方向快速发展,迫切需要相匹配的供能系统，以解决智能通讯、移动医疗等领域的实际应用要求。然而，传统块状结构的电池在设计成柔性的过程中面临许多挑战，例如，在反复变形条件下，电池内部各功能组分界面容易出现缺陷导致电池局部失效，甚至断裂。此外，较大面积的块状器件也难以与不规则表面（如人体）完全贴合，极大地影响用户体验。
　　一个有效的策略是把电池制造成柔性纤维状。这类一维的、直径介于几十微米到几百微米的纤维电池可以适应各种形变，能够在与人体紧密接触的情况下稳定运行，还可以进一步将此类纤维电池编织为透气的纺织品，作为柔性供能平台与各类电子器件如可穿戴器件相集成，匹配各种需求。
　　从块状电池到纤维电池 | 参考文献[1]
　　溶液＂纺丝＂法大规模制备纤维电池
　　在过去多年的研究中，人们重点借鉴平面电池的涂覆方法制备纤维电池，但在曲率半径较大的纤维基底上，很难实现快速、均匀、稳定的涂覆，制备速度往往难以满足大规模应用的需要。
　　通过传统涂覆法制备的纤维电池电极（左）表面均匀性较差，通过溶液＂纺丝＂法制备的纤维电池（右）各功能组分均匀分布 | 参考文献[1]
　　相比之下，溶液＂纺丝＂法则是将电池中的各功能组分首先制备为活性浆料，然后通过多种活性物质浆料的共同挤出、成型形成稳定界面，实现了千米级纤维锂、钠和锌电池的规模化生产。
　　溶液＂纺丝＂规模化制备纤维电池示意图 | 参考文献[1]
　　相较于通过传统涂覆方法制备的纤维储能电池，通过溶液＂纺丝＂大规模、一步法制备的纤维电池更细、更柔，也更加接近日常用于纺织的普通纤维。将由该方法制备的纤维电池进行梭织，可以得到轻薄、透气、大面积的＂电池织物＂。通过对电池活性材料配制及浆料流体性质的筛选实验，基于预实验数据库，联合聚合物湿法纺丝设备供应商，对核心部件喷丝板内部腔道进行了重新设计。实验结果表明，即使在高生产速率下连续化制备，所得到的纤维电池内部各功能组分也具有良好的界面稳定性，且表现出良好的电化学性能。
　　聚合物湿法＂纺丝＂制备纤维电池的产线 | 作者提供
　　将纤维电池编织为＂电池织物＂ | 参考文献[1]
　　由纤维电池编织而成的大面积储能织物 | 参考文献[1]
　　由纤维电池编织而成的织物电池为智能手机供电 | 作者提供
　　产业化前景
　　目前通过溶液＂纺丝＂法制备纤维电池可达到较高的生产速率（大于50米每小时）且可进行连续化的生产和编织。通过活性物质浆料的选择和调控，有望通过该方法实现一系列纤维储能器件比如纤维超级电容器的规模化制备。
　　出于生产和使用安全性的考虑，目前通过该策略制备的纤维电池主要为水系电池（即电池采用水作为电解液溶剂，可从根本上解决有机电解液易燃引起的安全问题），所得到的纤维电池能量密度较市面上常见的采用有机电解液的锂离子电池还存在一定差距。如何继续提高制备工艺以兼容更高能量密度的活性物质，实现更高能量密度的纤维电池是接下来需要面对的挑战。
　　除了纤维电池，我们也致力于设计和合成具有新型组成与结构的高分子体系，以期获得兼具优异力电磁光性能的高分子材料；构建新型纤维能源与电子器件，研究功能高分子与第二活性组分相互作用的机制和规律，获得多功能集成的全柔性智能系统，努力推动基础研究结果进入实际应用。
　　参考文献
　　[1] Liao, M., Wang, C., Hong, Y. et al. Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-021-01062-4
　　作者：廖萌
　　编辑：酥鱼
　　排版：尹宁流
　　研究团队
　　（共同）通讯作者彭慧胜：教授，复旦大学高分子科学系主任、国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、国家有突出贡献中青年专家、国家重点研发计划首席科学家。主要在高分子纤维器件领域开展研究工作，创制了多尺度螺旋复合纤维，揭示了电荷在高曲率纤维表界面快速分离与传输的机制，提出了纤维电子器件的设计思想，赋予纤维发电、储能等全新功能，提出了高分子纤维电子新方向。在Nature等期刊上发表了300多篇论文，出版了4部专著，获授权国内外发明专利78项，其中36项实现了转让转化，制定了2项纤维器件行业标准。通过专利转让与一批中外企业合作，开发出系列纤维材料与器件产品。
　　（共同）通讯作者王兵杰：副研究员，获得上海市青年科技启明星人才项目, 主要从事柔性纤维状储能材料的制备和产业化研究。
　　（共同）第一作者廖萌：复旦大学2021届博士。
　　（共同）第一作者 王闯：复旦大学2018级博士生。
　　（共同）第一作者洪扬：复旦大学2020届硕士。
　　论文信息
　　发布期刊《自然·纳米技术》nature nanotechnology
　　发布时间2022年1月21日
　　论文标题Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method
　　（DOI: 10.1038/s41565-021-01062-4）
　　欢迎关注果壳硬科技