衣物可以快速充電
背包化身移動電源
手機、電腦從此告別電量焦慮
一個柔效能源的時代即將來臨
近日，中國科學院院士、
復旦大學高分子科學系教授
彭慧勝課題組取得最新突破
建立起纖維電池織物的套用示範
打通從實驗室到實用化的
「最後一公裏」
這些新型纖維電池
有望 革新未來的能源供給方式
提供一種靈活、可靠、高效的
電源解決方案
逐漸使科幻成為現實
以 【基於高分子凝膠電解質
的高效能纖維電池】 為題
發表於最新一期的【自然】（ Nature ）上
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向爬山虎學習，
突破「沒有參考文獻的全新領域」
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是否可以透過設計纖維結構獲得柔軟的鋰離子電池？如何制備高能量密度的纖維鋰離子電池？怎樣實作高安全性纖維鋰離子電池？作為能源領域的一個全新研究方向，纖維鋰離子電池在發展過程中面臨著以上三個難題。
經過十多年探索，彭慧勝團隊相繼攻克了前兩個難題。然而，高分子凝膠電解質難以與纖維電極形成緊密穩定的接觸界面，導致纖維鋰離子電池儲能效能非常低。因此，解決第三個難題的關鍵在於，要解決 高分子凝膠電解質與纖維電極界面不穩定的難題 。
纖維鋰離子電池概念圖
彭慧勝團隊圍繞這一問題開展攻關，但前沿研究不免遇到質疑。 「最開始的研究動機就是基於個人興趣，而非隨波逐流。我們沒有模仿任何參考文獻，而是選擇沒有參考文獻的全新領域，放手去做。」 在彭慧勝看來，做研究就要有創新、有突破。
突破的關鍵，源於對自然的觀察與思考。某天，彭慧勝存取中國科學院上海矽酸鹽研究所，註意到爬山虎可以緊密而穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上。他細心察看，回去後查閱資料，了解爬山虎與被纏繞的植物藤蔓「如膠似漆」的秘密： 爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤性的液體，滲透到兩者接觸表面的孔道結構中，使液體中的單體發生聚合反應，將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。 其中，孔道結構是實作重要生物功能的普適策略。
爬山虎具有獨特的生物特性
學習自然，超越自然。受此啟發，團隊同時設計了具有多層次網路孔道和取向孔道的纖維電極，並設計單體溶液，使之滲入到纖維電極的孔道結構中。單體發生聚合反應後，生成高分子凝膠電解質，從而與纖維電極形成緊密穩定的界面，進而實作高安全性與高儲能效能的兼顧。
發展連續化制備方法，
建立纖維電池中試生產線
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更進一步，團隊發展出基於高分子凝膠電解質纖維電池的連續化制備方法，實作了纖維電池的規模制備。
纖維電池制備示意圖
基於連續化制備方法，團隊實作了數千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達到128瓦時/公斤，實作5C大電流供電，可有效為無人機等大功率用電器供電。高效能纖維電池具有優異的耐變形能力，在經歷10萬次彎折變形後容量保持率大於96%。
透過自主設計關鍵裝置，團隊建立了纖維電池中試生產線，實作每小時300瓦時的產能。這相當於每小時生產的電池可同時為20部手機充電。目前，該成果的中試物料成本約為每米5角；纖維電池直徑最細僅為約500微米。
多卷纖維電池
團隊成員展示了一款整合了纖維鋰離子電池制作的可充電手提包：「手機放在這個包裏面就能充電，半小時左右，手提包能給一部正常手機充進20%到30%的電量。」未來，團隊還將嘗試進一步整合纖維太陽能電池並與纖維鋰離子電池結合，使衣物、包等日常穿戴物品可利用自然能源直接充電，更加環保高效。
彭慧勝認為，這一研究思路具有良好的普適性，可套用於不同材料體系纖維電池的制備，得到的纖維電池均顯示出穩定的充放電效能。團隊努力讓制備過程高度可控，得到的纖維電池電化學性質具有良好的一致性，為進一步大規模套用提供支持。
制備高效能電池織物，
探索多元套用場景
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如今，團隊正在纖維電池的套用之路上進行探索。
他們使用工業編織方法，制備了大面積纖維電池織物，並系統研究了織物的安全性。對於典型的50 cm×30cm大小的電池織物，容量可達到2975毫安時，與常用手機電池相當，可滿足多種裝置的用電需求。
為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的套用潛力，團隊率先試制了一款 可充電概念背包 ，其在變形、水洗、強紫外照射後仍能穩定供電。 「經過洗衣機100次洗滌及10000次摩擦實驗後，電池效能基本未受影響，」 彭慧勝介紹， 「在高低溫、機械破壞等極端條件下有良好的安全性，並可以正常工作，即使剪斷一部份也能有效供電。」
沸煮、冰凍、剪斷織物測試效能
團隊還進一步制作了 多功能消防服 ，在模擬高溫火場的環境中，電池織物在即使被磨損剪斷後仍沒有發生著火、爆炸等安全事故，並能穩定地為對講機、傳感器等隨身裝置供電，也可以將特殊衣物在幾分鐘內加熱到60℃。相關成果還有望套用於極地科考、航空航天等領域。
多功能消防服
「纖維電池的套用場景擁有非常廣闊的想象空間，比如套用於軟體機器人、虛擬現實裝置等等。希望我們的這些嘗試可以為其他科研團隊提供一些經驗。」彭慧勝說。
復旦具有良好的基礎學科和基礎研究優勢， 如何讓源頭創新成果變成有用的技術、產品和商品，走出一條具有復旦特色的發展路徑 ，是十多年來彭慧勝帶領團隊一直試圖回應的問題。
「目前產線上的核心零配件，都是我們自己設計和客製的。」接下來，他希望能與業界加強合作，邀請專業廠商參與打造生產線，進一步提升新型纖維鋰離子電池效能，同時降低成本，推動纖維電池的廣泛套用。
該論文是彭慧勝團隊在高效能纖維電池研究領域發表於【自然】（ Nature ）的第三篇成果。彭慧勝為該論文通訊作者，復旦大學高分子科學系博士後路晨昊、博士研究生江海波、博士研究生程翔然為共同第一作者。研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等計畫支持。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x
