衣物、背包均可儲存能量,復(fù)旦團(tuán)隊——
走通纖維鋰離子電池“最后一公裡”
柔軟透氣的衣服、時尚輕便的背包可以儲存能量,隨時隨地為手機(jī)、手表等隨身電子器件供電——這一曾經(jīng)隻存在於科幻小說中的場景,正逐漸走進(jìn)現(xiàn)實。近日,復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊在高性能纖維電池以及電池織物的研究中取得新突破,實現(xiàn)了高安全性、高儲能性能纖維電池的規(guī)模制備。相關(guān)研究成果日前以《基於高分子凝膠電解質(zhì)的高性能纖維電池》為題,發(fā)表於《自然》主刊。該研究成功走通了柔性纖維電池研發(fā)的“最后一公裡”,有望為人機(jī)交互、健康檢測、智能傳感等領(lǐng)域提供有效的能源解決方案。
作為能源領(lǐng)域的一個全新研究方向,纖維鋰離子電池在發(fā)展過程中面臨著三個難題:是否可以通過設(shè)計纖維結(jié)構(gòu)獲得柔軟的鋰離子電池,使電池可被應(yīng)用於織物?是否能制備高能量密度的纖維鋰離子電池,從而在較小的重量或體積中存儲大量電能?是否能實現(xiàn)高安全性纖維鋰離子電池,即便遭遇彎折或焚燒也不會產(chǎn)生安全隱患?
經(jīng)過十多年探索研究,彭慧勝團(tuán)隊相繼攻克了前兩個難題,並使用高安全性的高分子凝膠電解質(zhì),解決了傳統(tǒng)電池中有機(jī)電解質(zhì)易漏易燃的問題,保証與人體緊密貼合的纖維電池織物足夠安全。然而,高分子凝膠電解質(zhì)難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面,導(dǎo)致纖維鋰離子電池儲能性能非常低。因此,實現(xiàn)高安全性纖維電池的關(guān)鍵在於:如何解決高分子凝膠電解質(zhì)與纖維電極界面不穩(wěn)定的難題。
瓶頸的突破源於對自然的觀察和思考。彭慧勝在訪問中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所時,注意到爬山虎可以緊密而穩(wěn)定地纏繞在另一根植物藤蔓上,於是拔下來察看,在調(diào)研后發(fā)現(xiàn):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(jié)構(gòu)中,隨后液體中的單體發(fā)生聚合反應(yīng),將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。
受此啟發(fā),團(tuán)隊設(shè)計了具有多層次網(wǎng)絡(luò)孔道和取向孔道的纖維電極,並設(shè)計單體溶液使之滲入到纖維電極的孔道結(jié)構(gòu)中,單體發(fā)生聚合反應(yīng)后生成高分子凝膠電解質(zhì),從而與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的界面,進(jìn)而實現(xiàn)高安全性與高儲能性能的兼得。
更進(jìn)一步,團(tuán)隊發(fā)展出基於高分子凝膠電解質(zhì)纖維電池的連續(xù)化制備方法,實現(xiàn)了纖維電池的大規(guī)模制備。
如今,彭慧勝團(tuán)隊正在纖維電池的應(yīng)用之路上進(jìn)行探索。為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應(yīng)用潛力,團(tuán)隊率先試制了一款可充電概念包,在變形、水洗、強(qiáng)紫外照射后仍能穩(wěn)定供電。團(tuán)隊還進(jìn)一步制作了多功能消防服,在高溫火場的模擬環(huán)境中,電池織物在即使被磨損剪斷后仍沒有發(fā)生著火、爆炸等安全事故,並穩(wěn)定地為對講機(jī)、傳感器等消防員隨身設(shè)備供電。
“纖維電池的應(yīng)用場景擁有非常廣闊的想象空間,比如應(yīng)用於軟體機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實設(shè)備等,應(yīng)用場景需要大家一起開拓?!迸砘蹌僬f,下一步,期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作,進(jìn)一步提升新型纖維鋰離子電池性能,降低其成本,推動纖維電池的廣泛應(yīng)用。
(記者 顏維琦 通訊員 鐘沁蕊)
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