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nba直播特稿|可穿戴新突破:复旦纤维锂离子电



  穿着一件日常衣服出门,它可以给我们的手机无线充电,也可以为未来智能医疗智能织物供能……在科技前沿领域大热的可穿戴设备有了进一步落地的可能——来自中国的研究团队为可穿戴设备的“心脏”,即能源供给提供了新的有效路径。北京时间9月1日23时,顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表了复旦大学高分子科学系彭慧胜教授团队的一项最新研究,题为《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》(“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”),该研究发现了纤维锂离子电池(FLIBs)内阻与长度之间的关联规律,有效解决了活性材料和纤维电极界面稳定性难题,连续构建出兼具高安全性和高性能的新型纤维聚合物锂离子电池。

  他们的研究成果显示,长度为1米时,纤维锂离子电池容量为25mAh,可以为心率监测仪和血氧仪等商用可穿戴设备提供超过2天的使用电能。基于整体质量的能量密度超过85 Wh/kg。同时,纤维锂离子电池具有良好的循环稳定性,循环500圈后,电池的容量保持率仍然达到90.5%,库伦效率为99.8%。即使在曲率半径为1厘米的情况下,将纤维锂离子电池弯折10万次后,其容量保持率仍大于80%。

  研究团队通过纺织的方法可进一步获得高性能和高安全性的大面积电池织物。如果将电池织物和无线充电发射装置集成,可安全、稳定地为智能手机进行无线充电;通过将纤维锂离子电池和纤维传感器与显示织物集成,还可实现对人体汗液中钠离子和钙离子浓度的实时监控和信号传输与显示。

  复旦大学高分子科学系博士生何纪卿和路晨昊为该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。

  “最近十多年来,人们希望织物不再是简单的有某些单一功能,它还是智能的。”今年3月,彭慧胜在向澎湃新闻记者介绍他研究多年的智能织物时如是谈道。

  当时,其率领的团队在《自然》上发表了另一项重磅研究,他们用一块1.5平方米的“布”向外界展示,他们可以将显示器件的制备与织物编织过程实现有效融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。

  这样的智能织物兼具智能、柔软、适应复杂形变、透气导湿等优点,是未来可穿戴等领域的一个重要发展方向。然而,要想获得广泛应用,前提之一还包括获得一种高性能且安全的柔性电池。

  直径为数十微米至数百微米的纤维锂离子电池是目前的主流方向之一。这次接受澎湃新闻()记者采访时,彭慧胜表示,“早在2006年,我开始听说有人把锂离子电池做成薄膜以获得柔性能源系统,这个方向对于未来人类社会发展很重要,我很感兴趣。”

  然而,彭慧胜是一个愿意啃“硬骨头”的人,他并不太想做别人已经做过的。“当时就一直围绕这个领域琢磨,自己是否可能做个从来没人干过甚至都没想过的东西。”2008年回到复旦后,以前朦胧的追求突然具体了。彭慧胜想到:如果把锂离子电池做成纤维,一定很好玩。十几年前的彭慧胜甚至完全没考虑实用性。

  探索过程是漫长的。彭慧胜提到,从2008年开始,到2013年实现世界上第一个纤维锂离子电池,后来进一步拓展到纤维锂硫电池、纤维锌离子电池、纤维金属空气电池等等。然而,经历几代博士生和博士后进行工程化研究,进展并不大。

  何纪卿在接受澎湃新闻()记者采访时表示,纤维锂离子电池的制备主要面临两个难点。“第一,纤维锂电池的内阻对其电化学性能具有重要影响,但其内阻和纤维长度的之间的关系规律仍然不是很明确;第二,因为完全不同的器件结构,面向块状锂离子电池的电极制备和器件构建方法很难适用于纤维锂电池,国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白。”

  迄今为止,公开报道的纤维锂离子电池长度通常在厘米级别,基于整体电池质量的能量密度也比较低。此外,研究团队在论文中还提到,这种短纤维锂离子电池在现实中很难规模使用,这是因为大量的导线连接点容易引起水氧侵入、电解质泄漏和外力破坏,从而导致电池能性能衰减甚至失效。

  何纪卿是这项研究的第一完成人,但在刚开始加入彭慧胜的团队时他更像是一位“门外汉”,此前并没有接触过电池相关研究。

  2012年化学专业硕士毕业后,何纪卿没有直接继续读博,在接下来的5年中,他相继在两家知名的跨国化学巨头工作。这被他后来重回校园后的导师彭慧胜认为是优势之一,“他非常能聚焦解决问题,广泛收集信息和认真独立思考,做出了这个发现。他以前在工业界,熟悉研发工作过,当然前面我们也做了很长时间的积累,所以产线的设计和开发就做得很有效率。”

  2018年底,何纪卿在逐渐融入课题组后,在之前毕业成员研究工作的基础上,及时转换研究思路,面向实际应用,和团队成员紧密合作,在材料筛选、设计和器件构建方法等方面开展了大量的实验探索。

  在初步的尝试中,何纪卿等人通过手工,将前期设计的正极和隔膜包裹的负极缠绕在一起,制备了长度分别为0.1米、0.2米、0.5 米和1米的纤维锂离子电池,并测量了加入电解液后的电化学性能。

  令人意外的是,研究团队观察到,较长的纤维内阻不增反降。这一发现超出了他们的预期,“彭老师当时看到这个结果,但同时也很严谨,他让我们先去重复,如果重复性没有问题的话,我们再继续看下一步怎么做。” 何纪卿提到。

  最后他们将长度拓展至10米。论文显示,当纤维长度范围更广,在0.01米至10米时,内阻也会下降。这些结果意味着,获得高性能的长纤维锂离子电池是可能的。

  彭慧胜对科学研究有着很高的要求,他希望其多年的研究成果未来能走向产业化,因此对工作的可重复性极其严谨。同时他仍然希望事情可行的背后有充分的理论支撑,知其然知其所以然。

  在随后的近一年时间里,研究团队进行了大量的对比实验,最终总结出了纤维电池内阻随长度的变化规律,这为长纤维锂离子电池的连续构建提供了理论支撑。

  高性能的长纤维锂离子电池在理论上可行后,研究团队下一步的重点是在方法层面上实现规模化制备。

  首先面临的挑战之一是在微米级直径的长纤维集流体上高效负载均匀的活性材料涂层。“生产电池的第一个核心点是如何把正负极浆料涂覆到电池集流体上。”何纪卿进一步解释道,“通常而言,目前的商业化的电池大部分是在平面基材上去涂料,这个过程相对来说比较简单,它可以涂得很均匀,而且它厚度也容易控制。”

  在纤维上进行类似的工作却非易事。论文中提到,在弯曲纤维表面上的活性材料涂层往往是不均匀的。造成这种现象的原因是,在活性层负载过程中,曲面结构使得活性材料承受较大的表面张力。何纪卿形象地表示,“这就导致它很容易产生不平整的串珠结构,”而这种不均匀的活性层对电池性能和稳定性都非常不利。

  何纪卿介绍,团队主要通过对负载装置的针对性设计和活性层化学组分的系统调控,实现了纤维电极均匀、稳定和高含量的活性材料负载。nba直播

  研究结果显示,在百米长度的电极上,活性材料的负载重量几乎没有变化,上万次弯曲后也没有明显的脱落现象。随后,研究团队相继开展了电池连续组装和封装等方法学研究最终实现了高性能纤维锂离子电池的连续化稳定制备。

  这项研究最后的结果显示,纤维锂离子电池的容量随长度线性增加。基于总质量,长度1米的纤维锂离子电池的能量密度超过80 Wh/kg,可以为心率监测仪和血氧仪等商用可穿戴设备提供超过2天的使用电能。

  同时,纤维锂离子电池具有良好的循环稳定性,循环500圈后,电池的容量保持率仍然达到90.5%,库伦效率为99.8%。其综合电化学性能可与某些小型商业电池相当。

  然而,在进一步作为织物实际应用于可穿戴设备之前,我们还需要确认的是其安全性,这对锂离子电池来说尤为重要。论文研究表明,该纤维电池织物可以在弯折、动态形变、高低温(-20℃至60℃)、穿刺和水洗等严苛条件下正常工作,显示了良好的应用潜力。

  安全验证试验显示,例如,纤维锂离子电池纺织品即使以各种方式折叠或被汽车碾压,也没有发生燃烧或爆炸。此外,即使在机器洗涤后或被刺穿后,仍可继续为平板电脑充电。研究团队还使用红外成像仪监测了穿刺区域周围的温度,没有发现温度升高迹象。

  a-e) 通过纺织方法获得高性能和高安全性的纤维锂离子电池织物;f-h) 纤维锂离子电池织物为智能手机进行无线充电。

  此外,研究团队通过将纤维锂离子电池和纤维传感器与显示织物集成。当用户运动时,纤维传感器可检测汗水中钠离子和钙离子的浓度,并将数据发送到信号处理芯片,该芯片可以将信息传输到纺织品显示器。这为未来智慧医疗方面的应用提供了可能。

  在研究团队看来,其后续仍有有待完善的工作。“作为电池,大家最关心的还是能量密度,虽然我们现在可以把纤维电池规模化、连续化制备出来,而且能量密度也很高,但是相比于现有的手机电池、电动汽车电池,它的能量密度还是有一定差距的。”他们下一步的主要工作就是进一步提高纤维锂离子电池的能量密度。

  此外,纤维锂离子电池是一个能量储存系统,它的终极使命是在实际应用中供电。“我们接下来要做的另外一个重点工作,就是让它和真正产品之间的距离缩小,甚至完全消除。”

  彭慧胜也对澎湃新闻记者表示,目前科学界致力于获得更高能量密度和高安全性,也在发展连续化制备方法。nba直播而工业界则致力于如何把各种纤维电池用起来,包括开发低成本和高效率生产线、建立行业标准、发展集成应用方法等等。

  “从目前纤维锂离子电池的性能和工程化水平判断,有望在3-5年实现规模化生产与应用。如果资源比较集中和高效利用,也有可能2-3年就能实现。”彭慧胜强调,要实现纤维锂离子电池投产,仍亟需解决几方面问题。

  首先,资源方面,需要足够的资金、具有丰富电池研发经验的技术专家和一定的空间支持。其次,需要确定3-5个主要应用方向,然后由这些方向的主流企业提出应用要求,围绕真正的应用要求进行后面的研发生产。最后,在具体技术方面,需要进一步开发标准的连续化生产线和生产工艺,进一步提供性能,发展柔性封装技术,获得高效率集成方法,满足实际应用要求。