間隔不到半年時(shí)間，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）再次發(fā)表重磅研究。這次，研究團(tuán)隊(duì)連續(xù)構(gòu)建出了兼具高安全性和高性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。

9月1日23時(shí)，上述研究成果在線發(fā)表，題為《高性能纖維鋰離子電池的規(guī)模化構(gòu)建》（“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”）。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士生何紀(jì)卿和路晨昊為該論文的共同第一作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目支持。

“最近十多年來，人們希望織物不再是簡(jiǎn)單的有某些單一功能，它還是智能的。”今年3月，彭慧勝在向澎湃新聞?dòng)浾呓榻B他研究多年的智能織物時(shí)如是談道。當(dāng)時(shí)，其率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了另一項(xiàng)重磅研究，他們用一塊1.5平方米的“布”向外界展示，他們可以將顯示器件的制備與織物編織過程實(shí)現(xiàn)有效融合，在高分子復(fù)合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。

這樣的智能織物兼具智能、柔軟、適應(yīng)復(fù)雜形變、透氣導(dǎo)濕等優(yōu)點(diǎn)，是未來可穿戴等領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。然而，要想獲得廣泛應(yīng)用，前提之一還包括獲得一種高性能且安全的柔性電池。

直徑為數(shù)十微米至數(shù)百微米的纖維鋰離子電池是目前的主流方向之一。“早在2006年，我開始聽說有人把鋰離子電池做成薄膜以獲得柔性能源系統(tǒng)，這個(gè)方向?qū)τ谖磥砣祟惿鐣?huì)發(fā)展很重要，我很感興趣。”

然而，彭慧勝是一個(gè)愿意啃“硬骨頭”的人，他并不太想做別人已經(jīng)做過的。“當(dāng)時(shí)就一直圍繞這個(gè)領(lǐng)域琢磨，自己是否可能做個(gè)從來沒人干過甚至都沒想過的東西。”2008年回到復(fù)旦后，以前朦朧的追求突然具體了。彭慧勝想到：如果把鋰離子電池做成纖維，一定很好玩。十幾年前的彭慧勝甚至完全沒考慮實(shí)用性。

從2008年開始，到2013年在世界上率先實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池，后來進(jìn)一步拓展到纖維鋰硫電池、纖維鋅離子電池、纖維金屬空氣電池等等。然而，經(jīng)歷幾代博士生和博士后進(jìn)行工程化研究，進(jìn)展并不大。

何紀(jì)卿在接受澎湃新聞（www.usamodel.cn）記者采訪時(shí)表示，纖維鋰離子電池的制備主要面臨兩個(gè)難點(diǎn)。“第一，纖維鋰電池的內(nèi)阻對(duì)其電化學(xué)性能具有重要影響，但其內(nèi)阻和纖維長(zhǎng)度的之間的關(guān)系規(guī)律仍然不是很明確；第二，因?yàn)橥耆煌钠骷Y(jié)構(gòu)，面向塊狀鋰離子電池的電極制備和器件構(gòu)建方法很難適用于纖維鋰電池，國(guó)際上纖維鋰電池的連續(xù)化制備研究幾乎是空白。”

迄今為止，公開報(bào)道的纖維鋰離子電池長(zhǎng)度通常在厘米級(jí)別，基于整體電池質(zhì)量的能量密度也比較低。此外，研究團(tuán)隊(duì)在論文中還提到，這種短纖維鋰離子電池在現(xiàn)實(shí)中很難規(guī)模使用，這是因?yàn)榇罅康膶?dǎo)線連接點(diǎn)容易引起水氧侵入、電解質(zhì)泄漏和外力破壞，從而導(dǎo)致電池能性能衰減甚至失效。

大規(guī)模生產(chǎn)長(zhǎng)纖維鋰離子電池、同時(shí)保持高性能，仍然是一個(gè)未滿足的需求。

彭慧勝團(tuán)隊(duì)在研究纖維鋰離子電池連續(xù)化制備的過程中意外發(fā)現(xiàn)，纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長(zhǎng)度增加而降低，進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池的內(nèi)阻與長(zhǎng)度呈雙曲余切函數(shù)關(guān)系，即隨著長(zhǎng)度的增加內(nèi)阻先降低后逐步趨于穩(wěn)定。使用導(dǎo)電率較高的纖維集流體，有利于降低纖維鋰離子電池的內(nèi)阻。上述關(guān)系規(guī)律得到了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為纖維鋰離子電池的連續(xù)構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。

進(jìn)一步，彭慧勝團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了高效負(fù)載纖維鋰離子電池活性材料的連續(xù)化方法，有效解決了聚合物復(fù)合活性層與導(dǎo)電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題，并通過自主設(shè)計(jì)和建立面向纖維鋰離子電池連續(xù)構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化裝置，實(shí)現(xiàn)了活性材料在千米級(jí)光滑纖維表面的高效負(fù)載和精準(zhǔn)調(diào)控，獲得到了高負(fù)載量、涂覆均勻和容量高度匹配的正、負(fù)極纖維材料。進(jìn)一步將正極纖維和包覆隔膜的負(fù)極纖維進(jìn)行纏繞組裝，并進(jìn)行有效的封裝，最終實(shí)現(xiàn)了高性能纖維鋰離子電池的連續(xù)化制備。

長(zhǎng)纖維鋰離子電池的連續(xù)化制備和結(jié)構(gòu)表征。

這項(xiàng)研究最后的結(jié)果顯示，纖維鋰離子電池的容量隨長(zhǎng)度線性增加。基于總質(zhì)量，長(zhǎng)度1米的纖維鋰離子電池的能量密度超過80 Wh/kg，有望為心率監(jiān)測(cè)儀和血氧儀等商用可穿戴設(shè)備提供穩(wěn)定持久的能源供給。

同時(shí)，纖維鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池的容量保持率仍然達(dá)到90.5%，庫倫效率為99.8%。其綜合電化學(xué)性能可與某些小型商業(yè)電池相當(dāng)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過紡織方法，獲得了高性能和高安全性的大面積電池織物，并以此在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行了部分功能示范。

 a-e) 通過紡織方法獲得高性能和高安全性的纖維鋰離子電池織物；f-h) 纖維鋰離子電池織物為智能手機(jī)進(jìn)行無線充電。

他們?cè)谝患路蠈㈦姵乜椢锖蜔o線充電發(fā)射裝置集成，可安全、穩(wěn)定地對(duì)放置在佩戴者口袋中的智能手機(jī)進(jìn)行無線充電。整個(gè)過程持續(xù)40分鐘，沒有發(fā)生明顯的升溫現(xiàn)象，顯示了良好的安全性。

此外，研究團(tuán)隊(duì)通過將纖維鋰離子電池和纖維傳感器與顯示織物集成。當(dāng)用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖維傳感器可檢測(cè)汗水中鈉離子和鈣離子的濃度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到信號(hào)處理芯片，該芯片可以將信息傳輸?shù)郊徔椘凤@示器。用戶可以通過紡織品顯示器實(shí)時(shí)觀察和監(jiān)測(cè)自己的健康狀況。

彭慧勝對(duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎荆壳翱茖W(xué)界致力于獲得更高能量密度和高安全性，也在發(fā)展連續(xù)化制備方法。而工業(yè)界則致力于如何把各種纖維電池用起來，包括開發(fā)低成本和高效率生產(chǎn)線、建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)展集成應(yīng)用方法等等。

“從目前纖維鋰離子電池的性能和工程化水平判斷，有望在3-5年實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用。如果資源比較集中和高效利用，也有可能2-3年就能實(shí)現(xiàn)。”彭慧勝強(qiáng)調(diào)，要實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池投產(chǎn)，仍亟需解決幾方面問題。研究團(tuán)隊(duì)期待，鋰離子電池領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)界的合作者能夠加入進(jìn)來，在較短時(shí)間內(nèi)有效解決新型電池體系在生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中面臨的各種問題。