原創(chuàng) 突破創(chuàng)新的 復(fù)旦大學(xué)

衣服可以快速充電

背包化身移動(dòng)電源

從那以后，手機(jī)和電腦就告別了電量焦慮。

軟性能源時(shí)代即將到來。

最近，中國(guó)科學(xué)院教授，

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授

最新突破的是彭慧勝研究小組

構(gòu)建纖維電池織物的應(yīng)用示范

從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品化的開放

“最后一公里”

這種新型纖維電池

有望創(chuàng)新未來的能源供應(yīng)方式

提供靈活、可靠、高效的服務(wù)

電源解決方案

科幻逐漸成為現(xiàn)實(shí)

北京時(shí)間4月24日晚上結(jié)果

基于“聚合物凝膠電解質(zhì)基礎(chǔ)”

高性能纖維電池問題

在最新一期發(fā)表的《自然》（Nature）上

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向爬山虎學(xué)習(xí)，

在沒有參考文獻(xiàn)的情況下突破新領(lǐng)域

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柔軟的鋰電池可以通過設(shè)計(jì)纖維組織獲得嗎？如何制造高能量密度纖維鋰電池？如何實(shí)現(xiàn)高安全性纖維鋰電池？纖維鋰電池作為能源領(lǐng)域的新研究?jī)?nèi)容，在發(fā)展過程中面臨以上三個(gè)問題。

經(jīng)過十多年的探索，彭慧勝團(tuán)隊(duì)相繼克服了前兩個(gè)問題。然而，聚合物凝膠的電解質(zhì)很難與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，導(dǎo)致纖維鋰離子電池的儲(chǔ)能性能非常低。因此，解決聚合物凝膠電解質(zhì)和纖維電極界面不穩(wěn)定問題的關(guān)鍵是解決第三個(gè)問題。

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纖維鋰電池概念圖

彭慧勝團(tuán)隊(duì)圍繞這個(gè)問題解決了關(guān)鍵問題，但前沿研究不可避免地遇到了質(zhì)疑。“最初的研究動(dòng)機(jī)是基于個(gè)人興趣，而不是隨波逐流。我們沒有模仿任何參考文獻(xiàn)，而是選擇了一個(gè)沒有參考文獻(xiàn)的新領(lǐng)域，放手去做?！痹谂砘蹌倏磥?，做研究一定要有創(chuàng)新和突破。

突破的關(guān)鍵在于觀察和思考自然。有一天，彭慧勝瀏覽了中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，注意到爬山虎可以緊密而穩(wěn)定地纏繞在另一根植物藤條上。他仔細(xì)檢查了一下，回去后收集了資料，了解了爬山虎和被纏繞的植物藤條“親密”的秘密:爬山虎可以分泌一種浸潤(rùn)性強(qiáng)的液體，滲透到兩者接觸表面的通道結(jié)構(gòu)中，使液體中的單體收縮，將爬山虎與纏繞的植物藤條粘在一起。在這些方面，孔道結(jié)構(gòu)是一種普遍的實(shí)現(xiàn)重要生物功能的策略。

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爬山虎具有獨(dú)特的生物特性

學(xué)習(xí)自然，超越自然。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)同時(shí)制定了具有多層網(wǎng)絡(luò)通道和導(dǎo)向通道的纖維電極，并設(shè)計(jì)了單個(gè)溶液，使其滲透到纖維電極的通道結(jié)構(gòu)中。單次收縮反應(yīng)后，產(chǎn)生聚合物凝膠電解質(zhì)，然后與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的頁面，從而兼顧高安全性和高儲(chǔ)能特性。

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發(fā)展連續(xù)制備工藝，

建立纖維電池試生產(chǎn)線

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此外，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了基于高分子凝膠電解質(zhì)纖維電池連續(xù)制備工藝的纖維電池規(guī)模制備。

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制備纖維電池示意圖

團(tuán)隊(duì)在連續(xù)制備工藝的基礎(chǔ)上，完成了數(shù)千米長(zhǎng)的纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達(dá)到128瓦/瓦。KG，實(shí)現(xiàn)5C大電流供電，可有效為無人機(jī)等大功率電器供電。高性能纖維電池具有優(yōu)異的抗變形能力，10萬次彎曲變形后容量保持率大于96%。

通過自行設(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，團(tuán)隊(duì)建立了纖維電池試驗(yàn)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)300瓦時(shí)的生產(chǎn)能力。這相當(dāng)于一個(gè)小時(shí)生產(chǎn)的電池可以同時(shí)給20部手機(jī)充電。目前，試驗(yàn)材料的成本約為每米50分鐘；纖維電池的直徑只有500左右。μm。

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多卷纖維電池

團(tuán)隊(duì)成員展示了一個(gè)由纖維鋰電池制成的可充電手提包:“手機(jī)放在這個(gè)包里可以充電，大概半個(gè)小時(shí)，手提包可以給一部正常手機(jī)充電20%到30%?！蔽磥?，團(tuán)隊(duì)將嘗試進(jìn)一步整合纖維太陽能電池，并與纖維鋰電池相結(jié)合，使衣服、包包等日常佩戴物品可以直接用自然能源充電，更加環(huán)保高效。

彭慧勝認(rèn)為，這種研究思路具有良好的普遍性，可以應(yīng)用于制備不同材料系統(tǒng)的纖維電池，獲得的纖維電池顯示出穩(wěn)定的充放電性能。團(tuán)隊(duì)努力使制備過程高度可控，獲得的纖維電池具有良好的一致性，支持進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。

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制作高性能電池織物，

探索多元化應(yīng)用領(lǐng)域

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現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)正在探索纖維電池的應(yīng)用。

它們采用工業(yè)編織方法，制備了大型纖維電池織物，并對(duì)織物的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)典型的50 cm×大小30cm的電池織物，容量可達(dá)2975毫安，與普通手機(jī)電池相當(dāng)，可滿足多種設(shè)備的用電需求。

為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)率先試制了一款可充電概念背包，在變形、洗滌、強(qiáng)紫外線直射后仍能穩(wěn)定供電。彭慧勝表示:“經(jīng)過洗衣機(jī)100次清洗和10000次摩擦實(shí)驗(yàn)，電池性能基本沒有受到影響?！八诟叩蜏?、機(jī)械損壞等極端環(huán)境下具有良好的安全性，可以正常運(yùn)行，即使部分被切斷，也能有效供電?！?/p>

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煮沸，冷凍，切斷織物檢測(cè)性能

該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步設(shè)計(jì)了多功能消防服。在模擬高溫火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中，即使損壞和切斷電池織物，也不會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸等安全事故，可以穩(wěn)定地為對(duì)講機(jī)、傳感器等個(gè)人設(shè)備供電，幾分鐘內(nèi)還可以將特殊衣物加熱到60℃。相關(guān)成果有望應(yīng)用于極地科學(xué)考試、航天工程等領(lǐng)域。

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多功能消防服

“纖維電池的使用場(chǎng)景有著廣闊的想象空間，如應(yīng)用于軟機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等。我希望我們的努力能為其他研究團(tuán)隊(duì)提供一些經(jīng)驗(yàn)?！迸砘蹌僬f。

復(fù)旦有很好的基礎(chǔ)學(xué)科和研究?jī)?yōu)勢(shì)。彭慧勝領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)十幾年來一直試圖回應(yīng)如何將源頭創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為有用的技術(shù)、產(chǎn)品和商品，走出具有復(fù)旦特色的發(fā)展道路。

“目前生產(chǎn)線上的核心零部件都是我們自己設(shè)計(jì)定制的?！苯酉聛?，他希望加強(qiáng)與行業(yè)的合作，邀請(qǐng)專業(yè)廠商參與生產(chǎn)線建設(shè)，進(jìn)一步提高新型纖維鋰電池的性能，降低成本，促進(jìn)纖維電池的廣泛應(yīng)用。

本文是彭慧勝團(tuán)隊(duì)在高性能纖維電池研究領(lǐng)域發(fā)表的《自然》（Nature）第三個(gè)結(jié)果。彭慧勝是論文通信的作者，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士后路晨昊，博士生江海波，博士生程翔然是共同的第一作者。研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x

組 稿

校融媒體中心

來 源

聚合物科學(xué)系

文 字

李斯嘉 丁超逸

照片 視頻

被訪者 李沁園

責(zé) 編

殷夢(mèng)昊

編 輯

邱潔心

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原題：“開啟能源穿戴“新時(shí)代”，復(fù)旦成果再次登上“自然”！

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