師法自然，彭慧勝院士再發Nature！

一、【科學背景】

以鋰離子電池為代表的儲能器件，被稱作現代電子設備的“心臟”。彭慧勝團隊在2013年提出并實現新型纖維鋰離子電池（FLB），為智能電子織物等可穿戴設備能源供給提供了新路徑。FLB通常是將陰極纖維和陽極纖維纏繞在一起來制造，隨后將纖維通過電極漿料負載在集電器上，最后注入或吸收液體電解質來制備。為了提高安全性并實現實際應用，凝膠電解質也被用來代替液體電解質來制造FLB，但由于凝膠電解質難以滲透，導致凝膠電解質—電極界面較差，因此制造的FLB能量密度非常低（通常低于10 Wh kg^-1），尤其是在電池變形過程中。

二、【創新成果】

為解決以上難題，復旦大學彭慧勝院士團隊在Nature發表了題為“High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte”的論文，報告了一種在電極中設計通道結構的策略，以結合聚合物凝膠電解質，并為高性能可穿戴電池形成緊密穩定的界面。作為演示，研究人員將多個電極纖維旋轉在一起以形成排列整齊的通道，同時在每個電極纖維的表面設計了網狀通道。單體溶液首先沿著排列整齊的通道有效滲入，然后再滲入網狀通道。然后，單體聚合生成凝膠電解質，并與電極形成親密而穩定的界面。由此產生的纖維鋰離子電池（FLB）顯示較高的電化學性能（能量密度約為128 Wh kg^-1）。這種策略還使纖維鋰離子電池的生產率高達每卷繞單元3600米/小時。連續的FLB可被編織成50 cm×30 cm的織物，可提供2975 mAh的輸出容量，并且FLB紡織品可在-40℃和80℃的溫度以及-0.08 MPa的真空度等極端條件下安全工作。本研究開發的FLB顯示出巨大的應用前景。

據報道，這是復旦大學彭慧勝院士團隊2024年發表的第二篇Nature，前一篇報道了在空氣中穩定的Ca-O₂電池，并且可以制成柔性纖維。A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature（Nature, 2024, 626, 313-318）（材料人報道：復旦大學新年第一篇Nature：在室溫下工作的可充電鈣氧電池）

有趣的是，據報道本研究受啟發于對自然的觀察和思考。某一天，彭慧勝訪問中國科學院上海硅酸鹽研究所，注意到爬山虎可以緊密而穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上，于是拔下來察看，回去后便調研爬山虎與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”的秘密：其原理在于爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結構中，隨后液體中的單體發生聚合反應，便將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。

爬山虎。（圖片來源于網頁）

圖1 ?使用聚合物凝膠電解質制備FLB ? 2024 Springer Nature

圖2 ?FLB界面的表征 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?FLBs的電化學性能 ? 2024 Springer Nature

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圖4 ?FLB紡織品的應用 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究開發出了具有聚合物凝膠電解質的高性能FLB，通過在電極纖維之間設計排列整齊的通道以及在電極纖維內部設計網絡化通道，使其與電極纖維緊密穩定地連接在一起。由通道式電極纖維組裝而成的FLB具有約128 Wh kg^-1的高能量密度以及足夠的柔韌性和穩定性，可承受100000次變形循環。FLB也非常安全，即使在80℃和-40℃的高溫和低溫以及-0.08 MPa的真空等極端條件下也能有效工作。FLB的制造速度高達每卷繞單元3600米/小時，可用于工業規模的生產和應用。這些FLB被編織成大面積的電源紡織品，可輸出與商用電池類似的高容量，從而為柔性電子、生物醫學工程、太空探索和可穿戴設備等多個應用領域提供了一種前所未知的有效電源。

原文詳情：High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07343-x)

本文由大兵哥供稿。