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    复旦大学高分子系彭慧胜团队走通柔性纤维锂离子电池研发“最后一公里”

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      当满墙的爬山虎,映入复旦大学高分子系彭慧胜教授的眼中,他若有所思:爬山虎为何与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”?

    复旦大学高分子系彭慧胜团队走通柔性纤维锂离子电池研发“最后一公里”

      他拔下来仔细察看,并带回实验室探究。原来,爬山虎会分泌出一种具有良好浸润性的液体,该液体渗透到两者接触表面的孔道结构中,随后液体发生聚合反应,将爬山虎和植物藤蔓紧紧地粘在一起。

      这一“插曲”为彭慧胜一直在思考的研究难题带来了灵感。

      在拥有知识产权的柔性纤维锂离子电池基础上,研究团队通过设计具有孔道结构的纤维电极,让高分子凝胶电解质与电极“如胶似漆”,从而实现了高安全性、高储能性的柔性纤维锂离子电池规模制备。

    复旦大学高分子系彭慧胜团队走通柔性纤维锂离子电池研发“最后一公里”

      纤维锂离子电池概念图

      这意味着,一件柔软透气的衣服、一个时尚轻便的背包,就可方便地为手机、手表等随身电子器件供电。曾经存在于科幻小说中的场景,正在渐渐走进现实。

      4月24日深夜,相关研究论文发表于国际学术期刊《自然》主刊上。该研究在国际上率先走通了柔性纤维锂离子电池研发的“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。

      【做没有文献报道的原创性研究】

      这是一场历时16年的“长途跋涉”。

      传统的块状电池由于其刚性结构,应用场景受到限制。2008年任教复旦大学之初,彭慧胜提出要做纤维锂离子电池。当时大多科学同行在研发薄膜电池,查不到任何有关纤维电池的文献。“没有文献报道过的研究更有原创性,也更值得去做。”彭慧胜说。

      经过5年研究,2013年彭慧胜团队率先在国际上研制出纤维锂离子电池。当时普遍认为,纤维锂离子电池的内阻会随长度增加而显著增大,无法制造高性能纤维电池,更别说大规模应用了。

      他们依然不被看好。

      又经过8年的探索,他们发现纤维锂离子电池的内阻并没有随长度的增加而增大,反而先下降后逐步趋于稳定。这突破了人们的传统认知。

      在此基础上,研究团队建立了世界上首条柔性纤维锂离子电池的生产线。

      这一成果被誉为“储能和可穿戴技术领域的里程碑”。

      【相当于每小时生产的电池可同时为20部手机充电】

      有了“从0到1”的原创发现,如何变成现实的生产力?

      当时,美国专门成立了“革命性纤维与纺织研究院”,并将其列为国家级创新方向;欧盟的一份战略报告则预估,电子织物未来10年会有2万亿欧元的市场。

      由于纤维锂离子电池织物需穿戴在身上,对安全性要求极高,此前电池中使用易漏易燃的有机电解质,存在安全隐患,只有使用高分子凝胶电解质才能保证高安全性。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,导致电池的储能性能非常低。

      如今,正是受爬山虎的启发,彭慧胜团队实现了纤维锂离子电池高安全性与高储能性的兼而有之。

      研究团队自主设计关键设备,建立了纤维锂离子电池中试生产线,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。”论文共同第一作者之一、博士后路晨昊介绍。

      他们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/千克,可为无人机等大功率设备供电;在经历10万次弯折变形后,其容量保持率依然大于96%。

      【纤维锂离子电池的应用场景十分广阔】

      一块看似普通的印染蓝布,可以点亮灯牌;一个看似平常的背包,手机放进去可无线充电。这是因为其中集成了纤维锂离子电池。

    复旦大学高分子系彭慧胜团队走通柔性纤维锂离子电池研发“最后一公里”

      背包可为手机无线充电。黄海华 摄

      “按照工业标准,我们研制的纤维锂离子电池织物经受100次水洗和10000次摩擦后,性能保持稳定。”论文共同第一作者之一、博士研究生江海波介绍,他们制作的多功能消防服,在高温火场模拟环境中,即使被磨损剪断还能稳定地为对讲机、传感器等消防员随身设备供电。

    复旦大学高分子系彭慧胜团队走通柔性纤维锂离子电池研发“最后一公里”

      由于纤维锂离子电池织物在高低温、真空环境以及外力破坏下仍可以安全稳定地供电,除了消防救灾,还有望应用于极地科考、航空航天等领域。

    复旦大学高分子系彭慧胜团队走通柔性纤维锂离子电池研发“最后一公里”

      “纤维锂离子电池的应用场景十分广阔,比如仿生手、软体机器人、虚拟现实设备等。”论文共同第一作者之一、博士研究生程翔然说。

      有了产品,如何将其做成商品?这是彭慧胜眼下思考最多的问题。

      “目前纤维锂离子电池的物料成本是0.5元/米左右,未来量产后还能更低。目前做成电池电芯的直径是500微米,还可能做得更细。”彭慧胜呼吁与产业界加强合作,进一步降低成本,早日实现纤维锂离子电池的规模应用。

      本文作者:黄海华

      题图来源:纤维锂离子电池。黄海华 摄

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