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新材料：復(fù)旦大學(xué)科研團隊在高性能纖維電池及電池織物研究上取得新突破
一件柔軟透氣的衣服，不僅可以儲存能量，還能便捷地為手機、手表等隨身電子設(shè)備供電。這一曾存在于科幻作品中的場景，已經(jīng)變成了現(xiàn)實。
近日，復(fù)旦大學(xué)科研團隊在高性能纖維電池及電池織物研究上取得新突破：通過設(shè)計具有孔道結(jié)構(gòu)的纖維電極，實現(xiàn)電極與高分子凝膠電解質(zhì)的有效復(fù)合，團隊不僅解決了高分子凝膠電解質(zhì)與電極界面穩(wěn)定性差的難題，還發(fā)展出纖維電池連續(xù)化構(gòu)建方法，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)研究成果發(fā)表于《自然》主刊。
4月22日，復(fù)旦大學(xué)科研人員展示手機可放在編織有纖維電池的織物上充電。新華社記者劉穎 攝
經(jīng)過多年探索，復(fù)旦大學(xué)團隊相繼攻克“設(shè)計纖維結(jié)構(gòu)獲得柔軟的鋰離子電池”“制備高能量密度的纖維鋰離子電池”兩大難題；“實現(xiàn)高安全性纖維鋰離子電池”則是該課題的“最后一公里”。科研團隊負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院院士彭慧勝表示，由于纖維電池織物和人體緊密貼合，必須以高安全性的高分子凝膠電解質(zhì)取代易漏易燃的有機電解質(zhì)，而基于高分子凝膠電解質(zhì)的纖維電池要想提升儲能性能，必須解決高分子凝膠電解質(zhì)與纖維電極界面不穩(wěn)定這一難題。
團隊最終從爬山虎與植物藤蔓緊緊纏繞這一自然現(xiàn)象中受到啟發(fā)，研究其奧秘后，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，并研發(fā)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)，與纖維電極形成緊密穩(wěn)定界面，進而實現(xiàn)了高安全性與高儲能性能的兼得。
在此基礎(chǔ)上，團隊發(fā)展出基于高分子凝膠電解質(zhì)纖維電池的連續(xù)化制備方法，實現(xiàn)了數(shù)千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達到128瓦時/公斤，可有效為無人機等大功率用電器供電，同時具有優(yōu)異的耐變形能力。
4月22日，復(fù)旦大學(xué)科研人員展示高性能纖維電池。新華社記者劉穎 攝
彭慧勝表示，通過自主設(shè)計關(guān)鍵設(shè)備，團隊建立了以活性漿料涂覆、高分子隔離膜包覆、纖維螺旋纏繞、凝膠電解質(zhì)復(fù)合以及高分子熔融封裝為核心步驟的纖維電池中試生產(chǎn)線，實現(xiàn)每小時300瓦時的產(chǎn)能，相當(dāng)于每小時生產(chǎn)的電池可同時為20部手機充電。這為纖維電池的大規(guī)模應(yīng)用提供了有力支持。
目前，團隊已使用工業(yè)編織方法制備了大面積纖維電池織物。在相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下，電池織物在經(jīng)受大電流充放電、過壓充電和欠壓放電、高溫存儲后沒有發(fā)生泄漏、著火等事故，顯示出良好的安全性和穩(wěn)定性；電池織物在高低溫、真空環(huán)境中及外力破壞下仍可以安全穩(wěn)定地為用電器供電。
“這一纖維電池可應(yīng)用于消防救災(zāi)、極地科考、航空航天等重要領(lǐng)域，更多應(yīng)用場景有待各方共同開拓。”彭慧勝說。
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