我国学者在新型纤维聚合物锂离子电池方面取得进展

　　作者:   岳秦 康强   发布 :   化学科学部
　　在国家自然科学基金项目（批准号：21634003, 21805044, 22075050）等资助下，复旦大学彭慧胜教授团队在高分子纤维器件领域取得新进展，相关研究成果以＂高性能纤维锂离子电池的规模化构建（Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries）＂为题，于2021年9月1日在《自然》（  Nature  ）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0。
　　作为现代电子设备的＂心脏＂，以锂离子电池为代表的储能器件是现代电子工业和人们生活不可或缺的组成部分。经过国际学术界的共同努力，纤维锂离子电池取得了系列积极进展，但仍面临一些重大难题，限制了它的实际应用。一方面，纤维锂离子电池内阻和长度之间的关系尚不明确，限制了长纤维锂离子电池的构建；另一方面，针对块状锂离子电池的成熟生产体系难以适用于纤维锂离子电池。同时，文献报道的纤维锂离子电池长度往往在厘米尺度，基于整体质量的能量密度也较低。
　　图. (a)分别为纤维锂离子电池连续化制备装置；(b)纤维锂离子中电池活性材料的高效连续涂覆；(c-f) 纤维锂离子电池的连续化构建。
　　研究团队发现，纤维锂离子电池的内阻与长度呈双曲余切函数关系，即随着长度的增加内阻先降低后趋于稳定，为纤维锂离子电池的连续构建提供了理论支撑。研究团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法，解决了聚合物复合活性层与导电纤维集流体的界面稳定性难题，通过自主设计和建立面向纤维锂离子电池连续构建装置（图a），从而实现了活性材料在连续光滑纤维表面的高效负载和精准调控，获得了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维材料（图b）。进一步将正极纤维和包覆隔膜的负极纤维进行缠绕组装、封装，实现了纤维锂离子电池的连续化构建（图c-f）。
　　纤维锂离子电池综合电化学性能测试表明：长度为1米的纤维锂离子电池，基于整体质量的能量密度超过85 Wh/kg，可以为心率监测仪和血氧仪等商用可穿戴器件提供长时间持续功能。同时，纤维锂离子电池具有良好的循环稳定性，循环500圈后，电池的容量保持率达到90.5%，库伦效率为99.8%。将纤维锂离子电池弯折10万次后，其容量保持率大于80%。通过纺织手段，获得了柔性、透气的电池织物，显示了良好的使用安全性。将电池织物和无线充电发射装置集成，可为智能手机进行无线充电。将纤维锂离子电池、纤维传感器与显示织物集成，初步实现了智能织物系统对人体汗液中钠离子和钙离子浓度的监控、信号传输与显示。
　　以上理论和方法学研究成果有望推动未来智能织物等新一代柔性电子领域的发展。