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复旦纤维锂离子电池,穿身上能无线充电


时间:2021-09-06  来源:  作者:  点击次数:


出门不需要充电器和充电宝,可以通过衣服给手机无线充电。这样的场景正在逐渐成为现实。

这是复旦大学高分子科学系彭慧生团队的研究方向之一。

近期,该团队系统揭示了纤维锂离子电池内阻随长度的变化规律,有效解决了聚合物复合活性材料与纤维电极的界面稳定性问题,连续构建了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。

研究示意图  复旦大学供图

研究示意图图片由复旦大学提供。

9月1日,相关研究成果以“高性能编织型锂离子纤维电池的规模化生产”为题发表在《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》 (Nature)主刊上。评论者将这项工作评价为“不仅在能量存储领域,而且在可穿戴技术领域的里程碑式研究”和“预防柔性电子产品的里程碑”。该研究得到了科技部、国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的支持。

纤维锂离子电池,如羊毛,保证长度是一个挑战。

以锂离子电池为代表的储能器件作为现代电子设备的“心脏”,是人们生活中不可或缺的一部分。彭慧生团队从2008年开始研究新型柔性电池系统,2013年提出并实现新型光纤锂离子电池,为有效满足智能电子织物等可穿戴设备的能源供给需求提供了新的路径。

经过近年来国际学术界的共同努力,纤维锂离子电池的研究取得了一系列积极进展,但一些重大问题限制了其实际应用。

关键挑战在于成熟的散装锂离子电池生产体系难以应用于纤维锂离子电池,国际上对连续制备纤维锂电池的研究几乎是空白。到目前为止,报道的纤维锂离子电池长度往往以厘米为单位,基于整体质量的能量密度相对较低。

研究示意图  复旦大学供图

研究示意图图片由复旦大学提供。

“纤维锂离子电池就像羊毛。要织一件可以充电的毛衣,必须保证有足够的羊毛。”本文第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何、陆如是说。

在长期的研究过程中,团队逐渐意识到,要实现纤维锂离子电池的连续化建设,首先要解决的一个重要问题就是如何从源头上厘清纤维电池内阻与长度的关系。

该团队突破以往的研究思路,通过大量的前期实验筛选,广泛尝试了不同电特性的纤维集流体材料,最终发现并揭示了纤维锂离子电池的变化规律。——随着长度的增加,内阻先减小后逐渐稳定,纤维集流体的电导率越高,对降低纤维锂离子电池内阻越有效,有利于提高连续长纤维电池的电化学性能。上述关系已被实验系统验证,为纤维锂离子电池的持续构建提供了有力的理论支持和依据。

为了实现高效负载型纤维锂离子电池活性材料的高效连续制备,需要有效解决活性材料与导电纤维集流体之间的界面稳定性问题。

“涂在纤维表面容易产生串珠等不均匀涂层,就像糖葫芦一样,严重影响纤维电极制备的连续性和电池的电化学性能。”庆忌解释说,经典的平面涂布法很难应用于高曲率纤维。

为此,该团队开发了一种纤维锂离子电池活性材料高效负载的连续化方法,通过调控正负活性材料的成分和附着力,有效解决了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体之间的界面稳定性问题,并自主设计建立了连续化构建的标准化装置

团队进一步将正极纤维和包覆高分子隔膜的负极纤维进行缠绕组装,并进行有效的封装和电解液注入,最终实现了高性能纤维聚合物锂离子电池的连续化制备。所制得的纤维电池容量随长度线性增加,显示该构建路线具有良好的可靠性。

  “穿”在身上的电池,应用前景广阔

  今年3月,复旦大学彭慧胜/陈培宁团队论文《大面积显示织物及其功能集成系统》(“large-area display textiles integrated with functional systems”)发表于《自然》(Nature)主刊,他们自主研发的全柔性织物显示系统,可紧贴人体不规则轮廓,像普通织物一样轻薄透气,确保良好的穿着舒适度。

  谈起这一成果,彭慧胜表示:“前者是用电,现在这个研究是供电,二者完全不同但又紧密相关。”

  该纤维锂聚合物离子电池表现出了良好的综合性能,显示了广阔的应用前景。

  基于包括封装材料在内的全电池重量,其能量密度超过85Wh/kg,长度为1米的电池可以为智能手机、手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电;纤维锂离子电池还具有良好的循环稳定性,循环500圈后,电池的容量保持率仍然达到90.5%,库伦效率为99.8%;在曲率半径为1厘米的情况下,将纤维锂离子电池弯折10万次后,其容量保持率仍大于80%;甚至在重复水洗、挤压等严苛环境下也可以保持较为稳定的电化学性能。

  进一步通过纺织方法,团队已经获得了高性能的大面积电池织物。“如果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。”何纪卿说。

  从新现象到新规律,到连续构建关键技术的突破,到几乎所有核心设备的自主研发,再到工程化连续制备路线的不断提高……通过十多年持续深入研究,团队已经把纤维电池从实验室样品发展到了产品模型,特别是实现了高安全性纤维聚合物锂离子电池的连续化构建,并致力于推动纤维电池和织物系统的规模化应用研究。

  “可穿戴纤维锂离子电池的很多功能已经实现,但对于真正的推广普及来说,依然任重道远。”彭慧胜说。

  从电池本身来说,目前纤维聚合物锂离子电池与生活中常用的平面电池的能量密度相比,还有较大的提升空间;也需要发展面向纤维聚合物锂离子电池构建、性能评估和使用的行业标准或规范,推动其工程转化和市场化应用;此外,在很多应用方面如可穿戴领域,还需要更加先进的编织技术,将纤维锂离子电池高效地编织到各种衣物中,使穿着更舒适、更美观。

  彭慧胜表示,期待锂离子电池领域产业界的合作者加入,共同探索解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。


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