衣物、背包均可储存能量,复旦团队——
走通纤维锂离子电池"最后一公里"
柔软透气的衣服、时尚轻便的背包可以储存能量,随时随地为手机、手表等随身电子器件供电——这一曾经只存在于科幻小说中的场景,正逐渐走进现实。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,实现了高安全性、高储能性能纤维电池的规模制备。相关研究成果日前以《基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池》为题,发表于《自然》主刊。该研究成功走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。
作为能源领域的一个全新研究方向,纤维锂离子电池在发展过程中面临着三个难题:是否可以通过设计纤维结构获得柔软的锂离子电池,使电池可被应用于织物?是否能制备高能量密度的纤维锂离子电池,从而在较小的重量或体积中存储大量电能?是否能实现高安全性纤维锂离子电池,即便遭遇弯折或焚烧也不会产生安全隐患?
经过十多年探索研究,彭慧胜团队相继攻克了前两个难题,并使用高安全性的高分子凝胶电解质,解决了传统电池中有机电解质易漏易燃的问题,保证与人体紧密贴合的纤维电池织物足够安全。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。彭慧胜在访问中国科学院上海硅酸盐研究所时,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,在调研后发现:爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体,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,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,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,进而实现高安全性与高储能性能的兼得。
更进一步,团队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。
如今,彭慧胜团队正在纤维电池的应用之路上进行探索。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。"彭慧胜说,下一步,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。
(记者 颜维琦 通讯员 钟沁蕊)
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