復旦大學彭慧勝、王兵杰團隊最新 Nature Nanotechnology：采用溶液-擠出法工業化生產纖維電池

[背景介紹]

纖維及紡織品是人類社會必不可少的構成元素，將能量儲存功能引入到纖維中，并將其織造成可使用的紡織品，可作為可穿戴和便攜電子設備的供能解決方案。將纖維狀電池編織成柔軟、透氣的織物電池，像普通衣物一樣穿著在身上，為各種電子設備供電，有望徹底解決“電量焦慮”。然而，受限于現有的制備、生產方式，纖維電池的規模化、連續化制備很難實現，無法滿足實際應用要求。

[成果簡介]

復旦大學彭慧勝、王兵杰團隊成功將纖維聚合物儲能電池的制備和纖維制造業中經典的濕法紡絲方法進行融合，首次提出纖維電池的一體化連續構建新路線，實現了多種纖維電池的規模化制備。本工作通過電池活性材料的篩選配制，活性物質漿料流體行為優化，以及對核心部件噴絲板內部腔道的重新設計，實現了纖維電池在高生產速率下的連續化制備，且所得到的纖維電池內部各功能組分間具有良好的界面穩定性。研究團隊不僅成功實現了一系列千米級纖維電池的規模化生產，也為其他功能性纖維器件的規模化制備提供了實驗及理論支持。相關論文以題為：“Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method”發表在Nature Nanotechnology上。

[圖文解析]

纖維電池的擠出工藝及結構表征

本工作通過借鑒傳統溶液紡絲技術，提出了纖維電池一體化連續構建的設想，通過將聚合物儲能電池中的各功能組分首先制備為紡絲漿料，然后通過將多種活性物質漿料共同擠出，實現纖維聚合物電池的規模化制備(圖1a)。擠出的纖維電池經過凝固浴、牽伸、烘干等標準化步驟后可連續化收絲得到成卷的纖維電池產品(圖1b-d)。由于溶液擠出方法不需要苛刻的生產條件如真空或高溫，因此適用于大規模、高效率的生產，并可用于多種纖維電池的制造。通過該方法得到的纖維電池與通過傳統工藝制備的同類電池具有相近的電化學性能，驗證了該方法可行性。在凝固浴步驟中，正、負極纖維可通過凝膠電解質中的去質子化反應快速凝固成型，形成完整的纖維電池結構(圖1a)。100 m長擠壓纖維電池的光學顯微鏡圖像顯示，正、負極活性物質及凝膠電解質在徑向(圖1e)和軸向上均分布均勻。

圖1. 纖維電池的擠出工藝及結構表征?2022 Springer Nature

纖維電池的性能表征

通過溶液紡絲法制備的纖維電池由內部平行的正、負極纖維，以及外部的凝膠電解質構成?(圖2a)。纖維水系鋰離子電池(FLIBs)具有1.3 V左右的放電平臺，86 mAh/g的比容量，以及較高的循環穩定性?(圖2b)。通過擠出漿料中活性物質的篩選與替換，本工作提出的制備方法具有一定的普適性，比如，采用二氧化錳?和鋅粉作為活性物質分別制備正、負極漿料，通過溶液紡絲法即可制備水系纖維鋅錳電池(圖2c)。類似地，采用水系鈉離子電池的正、負極活性物質分別制備正、負極漿料，也可以實現水系纖維鈉離子電池的連續化構建(圖2d)。溶液擠出成型方法為大規模生產纖維電池及其產業化應用鋪平了道路。通過該方法得到的纖維電池具有高柔性，10000次彎曲后電化學性能和力學性能都可較好保持。此外，通過溶液紡絲制備流程步驟參數的調整，可制備從微米到毫米一系列不同直徑的纖維電池?以適應各種應用的要求。通過溶液紡絲漿料制備中的功能活性物質調控，以及制備工藝的優化，該策略有望助力一系列纖維器件,如超級電容器，發光器件和傳感器等的規模化制備(圖2g)。

圖2. 連續溶液擠出法生產水系鋰離子、鋅錳和鈉離子纖維電池?2022 Springer Nature

由FLIBs制成的儲能織物的應用

溶液紡絲法連續化制備的纖維電池可直接通過商用紡織機(圖3a)編織為大面積(10m²)的儲能織物(圖3b)。得益于所采用的水系凝膠電解質，所制備的儲能織物具有較高的安全性，可耐受高溫、刺穿而避免安全隱患(圖3c)。類似地，織物電池在常見的使用場景中，如浸泡、載重、洗滌及撞擊等，都能保持較高的電化學穩定性。將可規模化制備的纖維電池作為儲能平臺，可與一系列具有其他功能的纖維電子器件如纖維太陽能電池、發光纖維等集成，在柔性織物結構中同時實現能量收集、儲存和對電子器件的供能?(圖3d-f)。作為概念的證明，研究團隊制作了一個帳篷，其中外層由太陽能電池織物組成，內層由儲能織物組成(圖3f,g)。該帳篷可以在白天通過外層太陽能電池收集太陽能，儲存在帳篷內層電池織物中，隨時為帳篷內的用電器如柔性顯示器供電?(圖3g)。

圖3. 由FLIBs制成的儲能織物的應用?2022 Springer Nature

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[結論與展望]

本工作發展了一種高效且具有普適性的溶液擠出方法，以規模化、連續化的制備纖維電池。通過該方法制備得到的柔性電池織物具有穩定、耐用、安全的優點。該制備方法有望推動一系列纖維電子器件的高效、規模化應用。

第一作者：廖萌、王闖、洪揚

通訊作者：彭慧勝、王兵杰

通訊單位：復旦大學

論文doi：

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01062-4