师法自然，彭慧胜院士再发Nature！

一、【科学背景】

以锂离子电池为代表的储能器件，被称作现代电子设备的“心脏”。彭慧胜团队在2013年提出并实现新型纤维锂离子电池（FLB），为智能电子织物等可穿戴设备能源供给提供了新路径。FLB通常是将阴极纤维和阳极纤维缠绕在一起来制造，随后将纤维通过电极浆料负载在集电器上，最后注入或吸收液体电解质来制备。为了提高安全性并实现实际应用，凝胶电解质也被用来代替液体电解质来制造FLB，但由于凝胶电解质难以渗透，导致凝胶电解质—电极界面较差，因此制造的FLB能量密度非常低（通常低于10 Wh kg^-1），尤其是在电池变形过程中。

二、【创新成果】

为解决以上难题，复旦大学彭慧胜院士团队在Nature发表了题为“High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte”的论文，报告了一种在电极中设计通道结构的策略，以结合聚合物凝胶电解质，并为高性能可穿戴电池形成紧密稳定的界面。作为演示，研究人员将多个电极纤维旋转在一起以形成排列整齐的通道，同时在每个电极纤维的表面设计了网状通道。单体溶液首先沿着排列整齐的通道有效渗入，然后再渗入网状通道。然后，单体聚合生成凝胶电解质，并与电极形成亲密而稳定的界面。由此产生的纤维锂离子电池（FLB）显示较高的电化学性能（能量密度约为128 Wh kg^-1）。这种策略还使纤维锂离子电池的生产率高达每卷绕单元3600米/小时。连续的FLB可被编织成50 cm×30 cm的织物，可提供2975 mAh的输出容量，并且FLB纺织品可在-40℃和80℃的温度以及-0.08 MPa的真空度等极端条件下安全工作。本研究开发的FLB显示出巨大的应用前景。

据报道，这是复旦大学彭慧胜院士团队2024年发表的第二篇Nature，前一篇报道了在空气中稳定的Ca-O₂电池，并且可以制成柔性纤维。A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature（Nature, 2024, 626, 313-318）（材料人报道：复旦大学新年第一篇Nature：在室温下工作的可充电钙氧电池）

有趣的是，据报道本研究受启发于对自然的观察和思考。某一天，彭慧胜访问中国科学院上海硅酸盐研究所，注意到爬山虎可以紧密而稳定地缠绕在另一根植物藤蔓上，于是拔下来察看，回去后便调研爬山虎与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”的秘密：其原理在于爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体，该液体渗透到两者接触表面的孔道结构中，随后液体中的单体发生聚合反应，便将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。

爬山虎。（图片来源于网页）

图1  使用聚合物凝胶电解质制备FLB © 2024 Springer Nature

图2  FLB界面的表征 © 2024 Springer Nature

图3  FLBs的电化学性能 © 2024 Springer Nature

图4  FLB纺织品的应用 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究开发出了具有聚合物凝胶电解质的高性能FLB，通过在电极纤维之间设计排列整齐的通道以及在电极纤维内部设计网络化通道，使其与电极纤维紧密稳定地连接在一起。由通道式电极纤维组装而成的FLB具有约128 Wh kg^-1的高能量密度以及足够的柔韧性和稳定性，可承受100000次变形循环。FLB也非常安全，即使在80℃和-40℃的高温和低温以及-0.08 MPa的真空等极端条件下也能有效工作。FLB的制造速度高达每卷绕单元3600米/小时，可用于工业规模的生产和应用。这些FLB被编织成大面积的电源纺织品，可输出与商用电池类似的高容量，从而为柔性电子、生物医学工程、太空探索和可穿戴设备等多个应用领域提供了一种前所未知的有效电源。

原文详情：High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07343-x)

本文由大兵哥供稿。