半年内两篇《自然》!复旦彭慧胜团队织出能穿的高性能锂电池

间隔不到半年时间,复旦大学高分子科学系彭慧胜教授团队在顶级学术期刊《自然》(Nature)再次发表重磅研究。这次,研究团队连续构建出了兼具高安全性和高性能的新型纤维聚合物锂离子电池。9月1日23时,上述研究成果在线发表,题为《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》(“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”)。复旦大学高分子科学系博士生何纪卿和路晨昊为该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。
“最近十多年来,人们希望织物不再是简单的有某些单一功能,它还是智能的。”今年3月,彭慧胜在向记者介绍他研究多年的智能织物时如是谈道。当时,其率领的团队在《自然》上发表了另一项重磅研究,他们用一块1.5平方米的“布”向外界展示,他们可以将显示器件的制备与织物编织过程实现有效融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。
这样的智能织物兼具智能、柔软、适应复杂形变、透气导湿等优点,是未来可穿戴等领域的一个重要发展方向。然而,要想获得广泛应用,前提之一还包括获得一种高性能且安全的柔性电池。
直径为数十微米至数百微米的纤维锂离子电池是目前的主流方向之一。“早在2006年,我开始听说有人把锂离子电池做成薄膜以获得柔性能源系统,这个方向对于未来人类社会发展很重要,我很感兴趣。”
然而,彭慧胜是一个愿意啃“硬骨头”的人,他并不太想做别人已经做过的。“当时就一直围绕这个领域琢磨,自己是否可能做个从来没人干过甚至都没想过的东西。”2008年回到复旦后,以前朦胧的追求突然具体了。彭慧胜想到:如果把锂离子电池做成纤维,一定很好玩。十几年前的彭慧胜甚至完全没考虑实用性。
从2008年开始,到2013年在世界上率先实现纤维锂离子电池,后来进一步拓展到纤维锂硫电池、纤维锌离子电池、纤维金属空气电池等等。然而,经历几代博士生和博士后进行工程化研究,进展并不大。
何纪卿在接受记者采访时表示,纤维锂离子电池的制备主要面临两个难点。“第一,纤维锂电池的内阻对其电化学性能具有重要影响,但其内阻和纤维长度的之间的关系规律仍然不是很明确;第二,因为完全不同的器件结构,面向块状锂离子电池的电极制备和器件构建方法很难适用于纤维锂电池,国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白。”
迄今为止,公开报道的纤维锂离子电池长度通常在厘米级别,基于整体电池质量的能量密度也比较低。此外,研究团队在论文中还提到,这种短纤维锂离子电池在现实中很难规模使用,这是因为大量的导线连接点容易引起水氧侵入、电解质泄漏和外力破坏,从而导致电池能性能衰减甚至失效。
大规模生产长纤维锂离子电池、同时保持高性能,仍然是一个未满足的需求。彭慧胜团队在研究纤维锂离子电池连续化制备的过程中意外发现,纤维锂离子电池内阻随长度增加而降低,进一步探究发现纤维锂离子电池的内阻与长度呈双曲余切函数关系,即随着长度的增加内阻先降低后逐步趋于稳定。使用导电率较高的纤维集流体,有利于降低纤维锂离子电池的内阻。上述关系规律得到了系统的实验验证,为纤维锂离子电池的连续构建奠定了理论基础。
进一步,彭慧胜团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法,有效解决了聚合物复合活性层与导电纤维集流体的界面稳定性难题,并通过自主设计和建立面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置,实现了活性材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精准调控,获得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维材料。进一步将正极纤维和包覆隔膜的负极纤维进行缠绕组装,并进行有效的封装,最终实现了高性能纤维锂离子电池的连续化制备。这项研究最后的结果显示,纤维锂离子电池的容量随长度线性增加。基于总质量,长度1米的纤维锂离子电池的能量密度超过80 Wh/kg,有望为心率监测仪和血氧仪等商用可穿戴设备提供稳定持久的能源供给。
同时,纤维锂离子电池具有良好的循环稳定性,循环500圈后,电池的容量保持率仍然达到90.5%,库伦效率为99.8%。其综合电化学性能可与某些小型商业电池相当。
研究团队进一步通过纺织方法,获得了高性能和高安全性的大面积电池织物,并以此在真实的应用场景中进行了部分功能示范。他们在一件衣服上将电池织物和无线充电发射装置集成,可安全、稳定地对放置在佩戴者口袋中的智能手机进行无线充电。整个过程持续40分钟,没有发生明显的升温现象,显示了良好的安全性。
此外,研究团队通过将纤维锂离子电池和纤维传感器与显示织物集成。当用户运动时,纤维传感器可检测汗水中钠离子和钙离子的浓度,并将数据发送到信号处理芯片,该芯片可以将信息传输到纺织品显示器。用户可以通过纺织品显示器实时观察和监测自己的健康状况。
彭慧胜对记者表示,目前科学界致力于获得更高能量密度和高安全性,也在发展连续化制备方法。而工业界则致力于如何把各种纤维电池用起来,包括开发低成本和高效率生产线、建立行业标准、发展集成应用方法等等。
“从目前纤维锂离子电池的性能和工程化水平判断,有望在3-5年实现规模化生产与应用。如果资源比较集中和高效利用,也有可能2-3年就能实现。”彭慧胜强调,要实现纤维锂离子电池投产,仍亟需解决几方面问题。研究团队期待,锂离子电池领域产业界的合作者能够加入进来,在较短时间内有效解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。

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