衣物可以快速充電，背包化身移動電源，手機、電腦從此告別電量焦慮，一個柔性能源的時代即將來臨🍹。
近日🎃，中國科學院院士、EON体育4平台高分子科學系教授彭慧勝課題組取得最新突破，建立起纖維電池織物的應用示範，打通從實驗室到應用的“最後一公裏”。這些新型纖維電池有望革新未來的能源供給方式👩🏽🦲，提供一種靈活😍、可靠🧑🦼➡️、高效的電源解決方案，逐漸使科幻成為現實。該成果於北京時間4月24日晚以《基於高分子凝膠電解質的高性能纖維電池》為題發表於《自然》主刊（Nature）👨🎨。
向爬山虎學習𓀅，突破“沒有參考文獻的全新領域”
是否可以通過設計纖維結構獲得柔軟的鋰離子電池👨🏻🍼？如何製備高能量密度的纖維鋰離子電池👩🏼💼👩🏻？怎樣實現高安全性纖維鋰離子電池？作為能源領域的一個全新研究方向🙇🏻♂️，纖維鋰離子電池在發展過程中面臨著以上三個難題。
經過十多年探索，彭慧勝團隊相繼攻克了前兩個難題。然而，高分子凝膠電解質難以與纖維電極形成緊密穩定的接觸界面🙎🏿，導致纖維鋰離子電池儲能性能非常低。因此，解決第三個難題的關鍵在於，要解決高分子凝膠電解質與纖維電極界面不穩定的難題🏆。
纖維鋰離子電池概念圖
彭慧勝團隊圍繞這一問題開展攻關⛴，但前沿研究不免遇到質疑。“最開始的研究動機就是基於個人興趣，而非隨波逐流👨🏼🍼。我們沒有模仿任何參考文獻，而是選擇沒有參考文獻的全新領域🤱🏿🐥，放手去做。”在彭慧勝看來🏄🏻🏪，做研究就要有創新、有突破。
突破的關鍵，源於對自然的觀察與思考。某天💁🏽♂️，彭慧勝訪問中國科學院上海矽酸鹽研究所，註意到爬山虎可以緊密而穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上。他細心察看🏊🏼♂️，回去後查閱資料🛢，了解爬山虎與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”的秘密：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構中👍🏼👨🚀，使液體中的單體發生聚合反應🤽，將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。其中✌🏼，孔道結構是實現重要生物功能的普適策略𓀅。
爬山虎具有獨特的生物特性
學習自然🤟🏿，超越自然。受此啟發，團隊同時設計了具有多層次網絡孔道和取向孔道的纖維電極，並設計單體溶液，使之滲入到纖維電極的孔道結構中🫸🏽。單體發生聚合反應後🚣🏼♀️，生成高分子凝膠電解質，從而與纖維電極形成緊密穩定的界面👨🏻🚒，進而實現高安全性與高儲能性能的兼顧。
發展連續化製備方法，建立纖維電池中試生產線
更進一步，團隊發展出基於高分子凝膠電解質纖維電池的連續化製備方法，實現了纖維電池的規模製備💁🏿。
纖維電池製備示意圖
基於連續化製備方法，團隊實現了數千米長度纖維鋰離子電池的製備，其能量密度達到128瓦時/公斤，實現5C大電流供電✍️，可有效為無人機等大功率用電器供電🥃。高性能纖維電池具有優異的耐變形能力🤸🏽♀️，在經歷10萬次彎折變形後容量保持率大於96%。
通過自主設計關鍵設備，團隊建立了纖維電池中試生產線，實現每小時300瓦時的產能🙅🏿。這相當於每小時生產的電池可同時為20部手機充電。目前，該成果的中試物料成本約為每米5角👨🏽⚕️；纖維電池直徑最細僅為約500微米👜🤜🏽。
多卷纖維電池
團隊成員展示了一款集成了纖維鋰離子電池製作的可充電手提包😿：“手機放在這個包裏面就能充電🦬💺，半小時左右，手提包能給一部正常手機充進20%到30%的電量。”未來，團隊還將嘗試進一步集成纖維太陽能電池並與纖維鋰離子電池結合🪗🏌🏼♂️，使衣物、包等日常穿戴物品可利用自然能源直接充電，更加環保高效🚛。
彭慧勝認為，這一研究思路具有良好的普適性，可應用於不同材料體系纖維電池的製備🎲，得到的纖維電池均顯示出穩定的充放電性能🦸♀️。團隊努力讓製備過程高度可控⏸，得到的纖維電池電化學性質具有良好的一致性💁🏼♀️，為進一步大規模應用提供支持。
製備高性能電池織物🍕，探索多元應用場景
如今，團隊正在纖維電池的應用之路上進行探索。
他們使用工業編織方法，製備了大面積纖維電池織物⛹🏼♀️，並系統研究了織物的安全性🧛🏽。對於典型的50 cm×30cm大小的電池織物🪻🙀，容量可達到2975毫安時，與常用手機電池相當，可滿足多種設備的用電需求。
為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應用潛力，團隊率先試製了一款可充電概念背包，其在變形🏇🏿、水洗、強紫外照射後仍能穩定供電🧸。“經過洗衣機100次洗滌及10000次摩擦實驗後，電池性能基本未受影響🏇🏼，”彭慧勝介紹👳🏿，“在高低溫、機械破壞等極端條件下有良好的安全性🚴🏻，並可以正常工作，即使剪斷一部分也能有效供電。”
沸煮🌑、冰凍🫳、剪斷織物測試性能
團隊還進一步製作了多功能消防服，在模擬高溫火場的環境中，電池織物在即使被磨損剪斷後仍沒有發生著火、爆炸等安全事故，並能穩定地為對講機🦜、傳感器等隨身設備供電，也可以將特殊衣物在幾分鐘內加熱到60℃。相關成果還有望應用於極地科考、航空航天等領域👷。
多功能消防服
“纖維電池的應用場景擁有非常廣闊的想象空間，比如應用於軟體機器人、虛擬現實設備等等🎲。希望我們的這些嘗試可以為其他科研團隊提供一些經驗🌝👁。”彭慧勝說。
EON4具有良好的基礎學科和基礎研究優勢，如何讓源頭創新成果變成有用的技術、產品和商品，走出一條具有EON4特色的發展路徑，是十多年來彭慧勝帶領團隊一直試圖回應的問題。
“目前產線上的核心零配件🙎🏼♀️，都是我們自己設計和定製的👳🏼♂️。”接下來🙅🏼♂️，他希望能與業界加強合作，邀請專業廠商參與打造生產線，進一步提升新型纖維鋰離子電池性能，同時降低成本，推動纖維電池的廣泛應用。
該論文是彭慧勝團隊在高性能纖維電池研究領域發表於《自然》（Nature）的第三篇成果。彭慧勝為該論文通訊作者🧑🏿，EON体育4平台高分子科學系博士後路晨昊、博士研究生江海波、博士研究生程翔然為共同第一作者🙅。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🖐🏽。
論文鏈接🪛：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x
