用聚合物凝膠電解質取代液态電解質被認為是解決可穿戴電池安全問題和實作高靈活性的一種普遍而有效的方法。然而，由于潤濕不足，聚合物凝膠電解質與電極之間的界面不佳，導緻電化學性能大大降低，尤其是在電池變形過程中。
基于此，複旦大學彭慧勝院士團隊報告了一種在電極中設計通道結構的政策，該政策可将聚合物凝膠電解質融入其中，并形成親密而穩定的界面，進而制造出高性能的可穿戴電池。作為示範，他們将多個電極纖維旋轉在一起以形成排列整齊的通道，同時在每個電極纖維的表面設計了網狀通道。單體溶液首先沿着排列整齊的通道有效滲入，然後再滲入網狀通道。然後，單體聚合生成凝膠電解質，并與電極形成親密而穩定的界面。由此産生的纖維锂離子電池（FLB）具有很高的電化學性能（例如，能量密度約為128 Wh kg-1）。這種政策還使纖維锂離子電池的生産率高達每卷繞單元3600米/小時。連續的FLB被編織成50 cm×30 cm的織物，可提供2975 mAh的輸出容量。FLB紡織品可在極端條件下安全工作，如-40°C和80°C的溫度以及-0.08 MPa的真空度。該研究成功走通了柔性纖維電池研發的“最後一公裡”，有望為人機互動、健康檢測、智能傳感等領域提供有效的能源解決方案。相關研究成果以題為“High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte”發表在最新一期《Nature》上。本文第一作者為複旦大學第十三屆“學術之星”特等獎獲得者——陸晨昊。
值得一提的是，這已經是彭慧勝院士團隊在2024年發表的第二篇Nature，距2024年的首篇Nature僅僅過去兩個多月。這一次重要技術的突破源自于對自然界的仔細觀察和深思。某天，彭慧勝院士參觀了中國科學院上海矽酸鹽研究所，在觀察到爬山虎緊密而穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上後，他動手拔下了一些進行了詳細觀察。回去後，他展開了對爬山虎和被纏繞植物藤蔓之間“如膠似漆”現象的調查，發現了其中的奧秘：爬山虎能夠分泌出一種具有良好浸潤性的液體，這種液體能夠滲透到兩者接觸表面的孔道結構中，随後發生聚合反應，将爬山虎和被纏繞的植物藤蔓牢牢地粘在一起。受到這一發現的啟發，他們成功地研發了高性能纖維電池。
【設計政策與制備】
纖維锂離子電池（FLB）通常通過将陰極纖維和陽極纖維撚合在一起來制造，纖維通過将電極漿料負載在集流體上，然後注入或吸收液體電解質來制備。作者将多個陰極纖維和陽極纖維連同分離器一起旋轉，在纖維間形成排列整齊的通道（圖1a,b）。在制備陰極和陽極纖維時，先将小活性顆粒沉積在薄纖維集流器上，然後再将大活性顆粒沉積在薄纖維集流器上，進而實作了緊湊穩定的顆粒層，在顆粒之間形成了内小外大的網狀通道。然後，通過聚合單體形成聚合物凝膠電解質，制造出FLB的凝膠電解質-電極界面（圖1b、c）。
圖1.使用聚合物凝膠電解質制造FLB
【結構與表征】
為了進一步表征FLB架構和設計的通道，作者生成了橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像和能量色散X射線光譜(EDS)元素圖，顯示了電極纖維和網絡内部形成的對齊通道活性顆粒之間形成小通道和外部大通道（圖2a-f）。凝膠電解質-活性顆粒界面在3.0V的未充電狀态、3.9V的半充電狀态和4.4V的完全充電狀态下都很親密（圖2g-i），這表明凝膠電解質在充電和放電過程中能夠适應電極體積的變化。即使将FLB儲存在-40°C和80°C的溫度下，也沒有觀察到凝膠電解質和活性顆粒之間有明顯的分離現象（圖2j-l）。在3.0V至4.4V的不同帶電狀态下，钴酸锂顆粒（約486 cm-1和587 cm-1）和石墨顆粒（約1350 cm-1和1580 cm-1）的特征峰發生了變化，這反映了钴酸锂和石墨的晶格常數分别因锂離子的脫插和插層而發生了變化（圖2m）。在不同的锂離子插層狀态和不同的溫度下，凝膠電解質充分填充了活性顆粒之間的通道，凝膠電解質的特征拉曼信号就是證明（圖2g-m）。即使在反複彎曲、扭曲和拉伸各100000次之後，電解質-電極界面仍能保持緊密，電阻變化小于10%（圖2n）。
圖2.FLB接口的特性
作者設計了受限沉積方法來制備電極纖維。工業規模生産線上生産了數百米和數千米長度的FLB（圖3a），由于穩定的電解質-電極界面，FLB在1000次充放電循環後顯示出87.7%的容量保持率和99.6%的庫侖效率（圖3h，i），在100000次彎曲循環後顯示出超過96%的容量保持率（圖3j）。即使在每個卷繞單元3600mh−1的高生産率下，仍保持高容量，并且輸出能量随FLB長度線性增加，對于1米長的FLB達到423mWh（圖3b，c）。此外，在20種不同的FLB中觀察到電化學特性（例如容量、電阻、庫侖效率和中點電壓）的窄分布（圖3d-g），這表明制造的再現性很高。
圖3.FLB的電化學特性
【應用】
作者将FLB編織成柔性動力紡織品，以展示其實際應用的能力（圖4）。他們展示了FLB紡織品在消防和太空探索中的應用。通過內建FLB紡織品以及溫度和氣體傳感器建構了多功能消防服。在高溫火場的模拟環境中，電池織物在即使被磨損剪斷後仍沒有發生着火、爆炸等安全事故，并穩定地為對講機、傳感器等消防員随身裝置供電。此外，電池織物可以為大功率用電器安全供電，如可以将加熱服在幾分鐘内加熱到60℃，有望應用在極地科考等領域中。
圖4.FLB紡織品的應用
【總結】
本文開發出了帶有聚合物凝膠電解質的高性能FLB，通過在電極纖維之間設計排列整齊的通道以及在電極纖維内部設計網絡化通道，使其與電極纖維緊密穩定地連接配接在一起。由通道式電極纖維組裝而成的FLB具有約128 Whkg-1的高能量密度以及足夠的柔韌性和穩定性，可承受100000次變形循環。FLB還非常安全，即使在80°C和-40°C的高溫和低溫以及-0.08 MPa的真空等極端條件下也能有效工作。FLB的制造速度高達每卷繞單元3600米/小時，可用于工業規模的生産和應用。這些FLB被編織成大面積的電源紡織品，可輸出與商用電池類似的高容量，進而為柔性電子、生物醫學工程、太空探索和可穿戴裝置等多個應用領域提供了一種前所未知的有效電源。對于這些FLB，未來應努力優化凝膠電解質，以提高儲能性能，并設計高效的內建方法，以生産大規模的動力紡織品。
來源：高分子科學前沿