作者:江庆龄 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/24 23:28:23
选择字号:
彭慧胜院士团队把“充电宝”做成衣服

 

复旦大学高分子科学系博士研究生江海波向《中国科学报》记者展示了一款特殊的包包。它的外形和一般的手提包无异,但手机一放进去就开始充电,半小时后,手机电量就已经增加了20%。

这款特殊的“可充电包”由一种特殊的纤维锂电池做成,来源于中国科学院院士、复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队。

利用具有孔道结构的特殊纤维电极,研究团队实现了电极与高分子凝胶电解质的有效复合,有效解决了高分子凝胶电解质与电极界面稳定性差的难题,进而发展出基于高分子凝胶电解质的纤维电池的连续化构建方法,并已进入规模制备阶段。相关研究于4月24日发表于《自然》。

纤维锂离子电池概念图。

灵感来源于爬山虎

彭慧胜介绍,纤维锂离子电池是能源领域一个全新的研究方向,在发展过程中,面临着3个主要问题:如何通过设计纤维结构获得柔软的锂离子电池?如何制备高能量密度的纤维锂离子电池?如何实现高安全性纤维锂离子电池?

早在2008年,彭慧胜团队便开始开展相关的探索性工作。

2013年,团队取得第一个突破性进展,验证了将锂离子电池设计成纤维结构在原理上的可行性。

8年后,团队进一步解决了第二个问题,纤维锂离子电池的能量密度较过去提升了近2个数量级,基本满足应用需求,并在此基础上建立了世界上首条纤维锂离子电池生产线。

然而,此前电池中主要使用易漏易燃的有机电解质。考虑到纤维电池织物在实际应用中会和人体紧密贴合,电池的安全性能尚需提升。

彭慧胜将突破口聚焦在了高安全性的高分子凝胶电解质上。然而,高分子凝胶电解质难以与纤维电极形成紧密稳定的接触界面,导致纤维锂离子电池储能性能非常低。

如何解决界面不稳定的难题?彭慧胜偶然间注意到,爬山虎可以紧密而稳定地缠绕在另一根植物藤蔓上,调研后发现:其原理在于爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体,该液体渗透到两者接触表面的孔道结构中并发生聚合反应,从而将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。

受此启发,团队设计了具有多层次网络孔道和取向孔道的纤维电极,同时设计了可渗入孔道结构的单体溶液,单体在孔道中发生聚合反应后生成高分子凝胶电解质,从而与纤维电极形成紧密稳定的界面。

就此,安全性的问题初步破解。

纤维电极结构示意图。

走通“最后一公里”

“其实一开始做这个项目的时候,并没有想过具体应用的事情。”彭慧胜回忆,“但随着研究的推进,其应用价值也逐渐显现出来,到现在,我们基本走通了柔性纤维电池研发的‘最后一公里’。”

在此过程中,彭慧胜有意识地去招收一些在工业界有一定经验的学生。论文共同一作江海波就是在工业界工作了一段时间之后重新回到实验室。

“在工业界的时候,我做的就是研发相关的工作,虽然关注的问题大方向有差异,但都是聚焦问题本身,两者之间也存在相通性。”江海波告诉《中国科学报》。

随着更多有产业化思维的人加入进来,把纤维电池从实验室推向产业的速度进一步加快。首要解决的,便是建立成熟的工艺生产线。

彭慧胜介绍,团队发展出了一套基于高分子凝胶电解质纤维电池的连续化制备方法,实现了数千米长度纤维锂离子电池的制备,其能量密度达到128瓦时/公斤,实现5C大电流供电,可有效为无人机等大功率用电器供电。纤维电池在经历100000次弯折变形后容量保持率大于96%,表明其具有优异的耐变形能力。将此思路应用于不同材料体系时,制备得到的纤维电池均表现出稳定的充放电性能。

目前,团队已经建立了一套制备过程的高度可控、纤维电池电化学性质一致性良好的中试生产线,每小时产能达300瓦时。“相当于每小时生产的电池可同时为20部手机充电。”江海波补充,“1米纤维的物料成本为0.5元左右,大规模生产后将进一步降低成本。”

预计一年后实现应用

纤维电池的直径可以做到约500微米,与传统衣服的纱线相当。彭慧胜团队使用工业编织方法,制备了大面积纤维电池织物,其外观同普通的“布”类似。一块50厘米×30厘米大小的“布”,容量可达到2975毫安时,与常用手机电池相当。

大面积纤维电池织物。 图片均由课题组提供

同时,团队系统研究了电池织物的安全性能。在相关工业标准的要求下,电池织物在经受大电流充放电、过压充电和欠压放电、高温存储后未发生泄漏、着火等安全事故,显示出良好的安全性和稳定性。电池织物在高低温、真空环境中及外力破坏下仍可以安全稳定地为用电器供电。

“我们测试结果表明,电池织物经受100次水洗(相当于家用洗衣机洗涤500次)和10000次摩擦后性能保持稳定。”彭慧胜解释。

在这些特性加持下,该电池织物有望应用于消防救灾、极地科考、航空航天等重要领域。团队已试制了一款多功能消防服,在高温火场的模拟环境中,电池织物在即使被磨损剪断后仍没有发生着火、爆炸等安全事故,并稳定地为对讲机、传感器等消防员随身设备供电。

“纤维电池的应用场景拥有非常广阔的想象空间,比如仿生手臂、软体机器人、虚拟现实设备等等,但应用场景需要大家一起开拓。”江海波表示。

彭慧胜强调,让一款从“源头创新”开始的产品服务于大众应用,需要学术界和产业界的聚力合作。“下一步,我们希望与产业界加强合作,进一步提升新型纤维锂离子电池性能,降低成本,推动纤维电池的广泛应用。一切顺利的话,预计将在一年后有产品问世。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07343-x

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
冰表面长啥样?原子级分辨图像揭晓答案 北方中纬高频雷达网发布首批科学探测结果
“双星计划”:开启中国空间科学新纪元 河西走廊内陆河出山径流研究揭示新趋势
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文