可穿戴設備又上新 電池“織”成的衣服來了

可穿戴纖維聚合物鋰離子電池概念圖 受訪者供圖

纖維鋰離子電池具有良好的循環穩定性,循環500圈後,電池的容量保持率仍然達到90.5%,庫倫效率爲99.8%;在曲率半徑爲1釐米的情況下,將纖維鋰離子電池彎折10萬次後,其容量保持率仍大於80%;甚至在重複水洗、擠壓等嚴苛環境下也可以保持較爲穩定的電化學性能

出門不需要帶充電器和充電寶,通過身上穿的衣服,就可以對手機進行無線充電――聽起來像科幻片的這一場景,正在逐步成爲現實。

這正是復旦大學高分子科學系彭慧勝團隊研究方向之一。近日,團隊通過系統揭示纖維鋰離子電池內阻長度的變化規律,有效解決了聚合物複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。

相關研究成果以《高性能纖維鋰離子電池的規模化構建》爲題,發表於《自然》雜誌主刊審稿人評價這項工作是“儲能領域和可穿戴技術領域的里程碑研究”和“柔性電子領域的一個里程碑”。該研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目支持。

理論探索,摸清電池內阻變化規律

作爲現代電子設備的“心臟”,以鋰離子電池爲代表的儲能器件是現代電子工業和人們生活不可或缺的組成部分。彭慧勝團隊從2008年開始研究新型柔性電池系統,在2013年提出並研製了新型纖維鋰離子電池,爲有效滿足智能電子織物等可穿戴設備能源供給需求提供了新路徑。

經過最近幾年國際學術界的共同努力,纖維鋰離子電池研究取得了系列積極進展,但仍然面臨一些重大難題,限制了其實際應用。其關鍵挑戰在於,面向塊狀鋰離子電池的成熟生產體系很難適用於纖維鋰離子電池,而國際上纖維鋰電池的連續化製備研究幾乎是空白。迄今爲止報道的纖維鋰離子電池長度往往在釐米尺度,並且基於整體質量的能量密度也比較低。

“纖維鋰離子電池就如同毛線,要織成一件可以充電的毛衣,必須保證有足夠長的毛線。”上述論文的共同第一作者、復旦大學高分子科學系博士生何紀卿路晨昊形容道。

研究團隊在長期研究過程中逐漸意識到,要實現纖維鋰離子電池的連續化構建,首先需要解決的一個重要科學問題,那就是要從源頭上釐清纖維電池內阻和長度的關係規律。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,最終發現並揭示出纖維鋰離子電池內阻隨長度增加先減小後逐步趨於穩定的變化規律。並且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,從而有利於提升連續長纖維電池的電化學性能。上述關係規律得到了系統的實驗驗證,爲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。

創新路線,實現連續化製備

要實現高效負載纖維鋰離子電池活性材料的高效連續製備,必須有效解決活性材料與導電纖維集流體的界面穩定性難題。“在纖維表面進行塗覆時很容易產生串珠等塗覆不均勻的現象,就像糖葫蘆一樣,嚴重影響了纖維電極製備的連續性和電池的電化學性能。”何紀卿解釋道,經典的平面塗覆方法很難適用於高曲率的纖維。

爲此,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黏附力,有效解決了聚合物複合活性材料與導電纖維集流體的界面穩定性難題,並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、塗覆均勻和容量高度匹配的正、負極纖維電極材料。團隊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,並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製備。所製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。

應用前景廣闊,普及任重道遠

今年3月,復旦大學彭慧勝、陳培寧的團隊論文《大面積顯示織物及其功能集成系統》發表於《自然》雜誌主刊,他們自主研發的全柔性織物顯示系統,可緊貼人體不規則輪廓,像普通織物一樣輕薄透氣,確保良好的穿着舒適度

談起這一成果,彭慧勝表示:“前者是用電,我們現在的這個研究是供電,二者完全不同但又緊密相關。”

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。基於包括封裝材料在內的全電池重量,其能量密度超過85瓦時/千克(Wh/kg),長度爲1米的電池可以爲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圈後,電池的容量保持率仍然達到90.5%,庫倫效率爲99.8%;在曲率半徑爲1釐米的情況下,將纖維鋰離子電池彎折10萬次後,其容量保持率仍大於80%;甚至在重複水洗、擠壓等嚴苛環境下也可以保持較爲穩定的電化學性能。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。“如果將電池織物和無線充電發射裝置集成,可安全、穩定地爲智能手機進行無線充電。”何紀卿說。

從新現象到新規律,到連續構建關鍵技術的突破,到幾乎所有核心設備的自主研發,再到工程化連續製備路線的不斷提高……團隊從未止步。通過十多年持續不斷的深入研究,團隊已經把纖維電池從實驗室樣品發展到了產品模型,特別是實現了高安全性纖維聚合物鋰離子電池的連續化構建,並致力於推動纖維電池和織物系統的規模化應用研究。

“可穿戴纖維鋰離子電池的很多功能已經實現,但對於真正的推廣普及來說,依然任重道遠。”彭慧勝說。

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範,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,使穿着更舒適、更美觀。

彭慧勝表示,期待鋰離子電池領域產業界合作者加入,共同探索解決新型電池體系在生產和實際應用中面臨的各種問題。(記者 王春