把电池“穿”在身上 中国科学家实现纤维锂离子电池新突破

来源:新华社| 2021-10-24 15:31:39| 作者:吴振东
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  出门不需带充电器和移动电源,通过身上的衣服,就可对手机进行无线充电。这一人们想象中的场景正在逐步成为现实。

  近日,《自然》主刊发表了复旦大学高分子科学系彭慧胜教授团队的一项研究。该研究系统揭示了纤维锂离子电池内阻随长度的变化规律,有效解决了活性材料和纤维电极界面稳定性难题,连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纤维聚合物锂离子电池。

  根据此项研究成果,长度为1米的纤维聚合物锂离子电池,可以为智能手机、手环、心率监测仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电。同时,该电池具有良好的循环稳定性,循环500圈后,电池容量保持率仍然达到90.5%;在曲率半径为1厘米情况下,把该电池弯折10万次后,其容量保持率仍大于80%。

 

  以锂离子电池为代表的储能器件,被称作现代电子设备的“心脏”。彭慧胜团队在2013年提出并实现新型纤维锂离子电池,为智能电子织物等可穿戴设备能源供给提供了新路径。然而,纤维锂离子电池研究多年来面临一项关键挑战,即面向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,而国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白,迄今为止报道的纤维锂离子电池长度均在厘米尺度。

  “纤维锂离子电池如同毛线,要织成一件可以充电的毛衣,就必须保证有足够长的毛线。”彭慧胜团队成员发现,要实现纤维锂离子电池的连续化构建,就要从源头上厘清纤维电池内阻和长度的关系规律。通过广泛尝试不同电学特性的纤维集流体材料,他们最终揭示出纤维锂离子电池内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定的变化规律,为纤维锂离子电池的连续构建提供了有力理论支撑。

  在此基础上,还要实现高效负载纤维锂离子电池活性材料的高效连续制备。“经典的方法是平面涂覆,但在纤维表面进行涂覆很容易产生不平整的串珠结构,对电池性能和稳定性都非常不利。”团队成员、复旦大学高分子科学系博士生何纪卿说。

  为此,团队发展出新方法,通过调控正负极活性材料组分和粘附力,有效解决了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题,得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维电极材料。随后,团队相继开展了电池连续组装和封装等方法学研究,最终实现了高性能纤维聚合物锂离子电池的连续化稳定制备。

 

  据介绍,团队通过纺织方法,已获得高性能大面积电池织物。将电池织物和无线充电发射装置集成,可安全、稳定地为智能手机进行无线充电。

  “纤维锂聚合物离子电池已显示出广阔应用前景,但与生活中常用的平面电池的能量密度相比,这一电池还有较大提升空间。此外,还需要更先进的编织技术,将电池高效地编织到各种衣物中,使人们穿着更加舒适、美观。”彭慧胜说。

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