2025年8月25日，苏州大学材料与化学化工学部严锋教授、孙哲副研究员与东华大学朱美芳院士合作在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“Flexible fibre-shaped fuel cells with gel-mediated internal pressure encapsulation”的研究成果。该成果报道了一种凝胶介导的内压力封装技术，制备了柔性的纤维状燃料电池，能量密度达到161.36 Wh kg^-1，超过了已报道的纤维电源系统。论文通讯作者是孙哲、朱美芳、严锋；第一作者是袁永江、刘子央。

为应对移动设备与可穿戴设备迅速普及所带来的对轻量化、柔性化能源解决方案日益增长的需求，近年来研究人员开发出多种柔性电源系统，如柔性太阳能电池、柔性锂离子电池等。目前柔性电源系统仍面临诸如对光源依赖性强、能量密度需求提升以及充电速度慢等挑战。

燃料电池是一种高效的电化学装置，能够将化学能直接转化为电能，其主要优势包括能量密度高以及燃料补给快等。然而柔性燃料电池的发展一直受到刚性组件、压力封装要求、燃料密封存储等技术难题的阻碍。该项成果利用了凝胶纤维在吸收甲醇（燃料）时的动态膨胀行为，提出一种自适应内压力封装策略，制备出纤维状甲醇燃料电池（FDMFC）。该柔性燃料电池可在-22至70 oC的宽温度范围内运行，具有可裁剪性、防水性和快速燃料补给能力。经过2000次大角度弯曲循环测试，燃料电池仍能保持稳定的放电性能。该项成果为解决燃料电池及燃料电池堆的轻量化和柔性化难题，提供了有效的解决方案。

图1：基于内压力封装策略的柔性纤维状燃料电池结构示意图。

图2：a) 凝胶纱线的结构示意图。b) 凝胶纱线的SEM横截面图。c) 凝胶层的放大SEM图像，显示聚合物凝胶在纤维表面均匀且紧密覆盖。d) 纱线、纱线凝胶及FDMFC横截面的实物照。e) PDMA、PEA和PAM在水和甲醇中的溶胀率。f) Nafion 212膜与Gel-Nafion 212复合膜的甲醇渗透率。g) 纱线与纱线凝胶同甲醇分子之间的静电作用能与范德华作用能。h) 在-20至70℃温度范围内，纱线凝胶的应力-应变曲线。i) 纱线凝胶在循环弯曲条件下的机械耐久性评估。j)纱线凝胶与原始纱线在从集流体基底上进行受控剥离测试时的力-位移曲线。

图3：FDMFC的压力封装机制研究。a) 采用纱线结构的FDMFC示意图。在加入甲醇溶液后，由于纱线的膨胀能力有限，各组件之间仍存在一定的间隙。b) 采用纱线结构FDMFC的应力分布情况，以及c) 甲醇的分布状态。d) 采用纱线凝胶结构FDMFC的示意图。高度膨胀的纱线凝胶材料能够有效消除电池组件之间的间隙，提升整体结构密合度。e) 含纱线凝胶结构FDMFC的应力分布，以及f) 甲醇分布情况。g) 采用纱线凝胶结构的FDMFC中薄膜压力传感器的电阻变化与压力测量结果。h) 压阻式传感器用于监测FDMFC内部压力的示意图，以及燃料电池的横截面结构图。i) 在不同封装压力条件下，燃料电池的电阻变化情况。j) 过电位分析的数值模拟结果表明，在NPE-FDMFC中阴极损失和欧姆损失均高于IPE-FDMFC，这主要归因于甲醇渗透以及由于界面接触不良导致的界面阻抗增加。k) 以12 M甲醇为燃料的FDMFC的极化曲线与功率密度曲线。

图4：FDMFC性能测试研究。a) 在不同温度条件下，FDMFC的极化曲线及其功率密度的变化趋势。b) 测量并记录了FDMFC在不同弯曲角度（从0°到180°）下的峰值功率密度，以评估其机械适应性。c) FDMFC的疲劳测试，以验证其长期使用的稳定性。d) 展示了FDMFC的安全切割性能，以及由切割后的四个燃料电池单元组成的堆栈为电子钟供电的实际应用能力。e) 展示由两个串联单元电池组成的 FDMFC 堆栈为灯泡供电的实验场景，其中木签穿过电池，水喷洒于其上，以模拟极端环境下的使用情况。f) 对比分析了该研究与其他先前研究中各类能量存储与转换设备在能量密度、功率密度及充电时间方面的性能指标。

图5：FDMFC的集成展示。a) 由16厘米长的FDMFC构建的网状集成结构实物照片。b) 1米长线性FDMFC结构的实物照片。c) 网状与线性FDMFC结构的功率密度与极化曲线对比图。d) FDMFC在200毫安负载条件下进行100次充放电循环后的电压保持率测试结果。e) FDMFC在服装中的应用实例照片，展示了其在弯曲、扭转及卷曲等复杂形变下的稳定性。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02319-2