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        “穿”在身上的電池 復旦大學團隊實現纖維聚合物鋰離子電池新突破

        發布日期:2021-09-03 字體 [ ]

        出門不需要帶充電器和充電寶,通過身上穿的衣服,就可以對手機無線充電……這聽起來像科幻片的場景,正逐步成為現實。近日,復旦大學高分子科學系彭慧勝團隊通過系統揭示纖維鋰離子電池內阻隨長度的變化規律,有效解決了聚合物復合活性材料和纖維電極界面穩定性難題,連續構建出兼具良好安全性和綜合電化學性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。

        9月1日,以《高性能纖維鋰離子電池的規?;瘶嫿ā罚ā癝calable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”)為題的研究成果發表于《自然》(Nature)主刊。

        纖維鋰離子電池研究的關鍵挑戰在于,面向塊狀鋰離子電池的成熟生產體系很難適用于纖維鋰離子電池,而國際上纖維鋰電池的連續化制備研究幾乎是空白。迄今為止報道的纖維鋰離子電池長度往往在厘米尺度,并且基于整體質量的能量密度也比較低。

        團隊成員突破以往的研究思路,通過大量的預實驗篩選,廣泛嘗試了不同電學特性的纖維集流體材料,最終發現并揭示出纖維鋰離子電池內阻隨長度增加先減小后逐步趨于穩定的變化規律。并且使用纖維集流體的導電率越高,越能有效降低纖維鋰離子電池的內阻,從而有利于提升連續長纖維電池的電化學性能。上述關系規律得到了系統的實驗驗證,為纖維鋰離子電池的連續構建提供了有力的理論支撐和依據。

        團隊發展出了高效負載纖維鋰離子電池活性材料的連續化方法,通過調控正負極活性材料組分和粘附力,有效解決了聚合物復合活性材料與導電纖維集流體的界面穩定性難題,并自主設計和建立了面向纖維鋰離子電池連續構建的標準化裝置,實現了活性材料在千米級光滑纖維表面的高效負載和精準控制,獲得到了高負載量、涂覆均勻和容量高度匹配的正、負極纖維電極材料。進一步將正極纖維和包覆高分子隔膜的負極纖維進行纏繞組裝,并進行有效的封裝和電解液注入,最終實現了高性能纖維聚合物鋰離子電池的連續化制備。所制得的纖維電池容量隨長度線性增加,顯示該構建路線具有良好的可靠性。

        該纖維鋰聚合物離子電池表現出了良好的綜合性能,顯示了廣闊的應用前景?;诎ǚ庋b材料在內的全電池重量,其能量密度超過85 Wh/kg,長度為1米的電池可以為智能手機、手環、心率監測儀、血氧儀等可穿戴電子設備長時間連續有效供電;纖維鋰離子電池還具有良好的循環穩定性,循環500圈后,電池的容量保持率仍然達到90.5%,庫倫效率為99.8%;在曲率半徑為1厘米的情況下,將纖維鋰離子電池彎折10萬次后,其容量保持率仍大于80%;甚至在重復水洗、擠壓等嚴苛環境下也可以保持較為穩定的電化學性能。進一步通過紡織方法,團隊已經獲得了高性能的大面積電池織物。

        從電池本身來說,目前纖維聚合物鋰離子電池與生活中常用的平面電池的能量密度相比,還有較大的提升空間;也需要發展面向纖維聚合物鋰離子電池構建、性能評估和使用的行業標準或規范,推動其工程轉化和市場化應用;此外,在很多應用方面如可穿戴領域,還需要更加先進的編織技術,將纖維鋰離子電池高效地編織到各種衣物中,使穿著更舒適、更美觀。






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