作者:王春 来源:科技日报 发布时间:2024/4/25 17:02:03
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灵感来自爬山虎!上海科研团队成功研发纤维锂离子电池

 

一个看似普通的背包,能够实现为手机充满电,不仅如此,历经弯折、水洗、强紫外照射后它仍能稳定供电。复旦大学彭慧胜教授团队的研究,让曾经存在于科幻小说中的场景,成为现实。

近日,复旦大学彭慧胜团队在高性能纤维电池以及电池织物的研究中取得新突破,通过设计具有孔道结构的纤维电极,实现电极与高分子凝胶电解质的有效复合,解决了高分子凝胶电解质与电极界面稳定性差的难题;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,实现了高安全性、高储能性能纤维电池的规模制备,建立了纤维电池织物的应用示范。

4月24日,相关研究成果发表于《自然》主刊。该研究成功打通了柔性纤维电池研发的“最后一公里”,有望为人机交互、健康检测、智能传感等领域提供有效的能源解决方案。

一株爬山虎,突破稳定性差的瓶颈

纤维电池织物和人体紧密贴合,对安全性要求极高。此前,电池中主要使用易漏易燃的有机电解质,无法满足应用要求。使用高安全性的高分子凝胶电解质是有效的解决方法。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。因此,实现高安全性纤维电池的关键在于,如何解决高分子凝胶电解质与纤维电极界面不稳定的难题?

瓶颈的突破源于对自然的观察和思考。有一次,彭慧胜访问中国科学院上海硅酸盐研究所,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,于是拔下来察看,回去后便调研爬山虎与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”的秘密。彭慧胜发现,其原理在于爬山虎能分泌出一种具有优良浸润性的液体,该液体渗透到两者接触表面的孔道结构中,随后液体中的单体发生聚合反应,便将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。

爬山虎启示。复旦大学供图

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,并设计单体溶液使之渗入到纤维电极的孔道结构中,单体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,进而实现了高安全性与高储能性能的兼得。

不仅如此,团队还发展出基于高分子凝胶电解质纤维电池的连续化制备方法,实现了纤维电池的大规模制备。

多卷纤维电池。复旦大学供图

目前,团队已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。该电池可有效为无人机等大功率用电器供电,同时具有优异的耐变形能力。在经历10万次弯折、拉伸、扭转变形后,其容量保持率大于96%。此外,这个思路还显示出良好普适性,适用于不同材料体系纤维电池的制备,得到的纤维电池均显示出稳定的充放电性能。

通过自主设计关键设备,团队建立了以活性浆料涂覆、高分子隔离膜包覆、纤维螺旋缠绕、凝胶电解质复合以及高分子熔融封装为核心步骤的纤维电池中试生产线,实现每小时300瓦时的产能。“相当于每小时生产的电池可同时为20部手机充电。”团队成员介绍。此外,团队还实现了制备过程的高度可控,为进一步大规模应用提供了有力支持。

制备高性能电池织物,探索应用场景?

如今,团队正在纤维电池的应用之路上进行探索。

他们使用工业编织方法制备了大面积纤维电池织物,并系统研究了织物的安全性。对于典型的50 厘米×30厘米大小的电池织物,容量可达到2975毫安时,与常用手机电池相当,可满足多种设备的用电需求。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、高温存储后没有发生泄漏、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,有望应用于消防救灾、极地科考、航空航天等重要领域。

为了更直观地展示纤维锂离子电池的应用潜力,团队率先试制了一款可充电概念背包。该背包在变形、水洗、强紫外照射后仍能稳定供电。团队还进一步制作了多功能消防服,在高温火场的模拟环境中,电池织物即使被磨损后仍没有发生着火、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,比如应用于软体机器人、虚拟现实设备等,应用场景需要大家一起开拓。”团队成员向记者表示。

从提出科学概念到实现工业化产品,彭慧胜团队致力于让科研成果走出实验室。在他们的不懈努力下,纤维电池的初步应用正在实现。下一步,团队期待与产业界加强合作,进一步提升新型纤维锂离子电池性能,降低其成本,推动纤维电池的广泛应用。

 
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