可穿戴新突破：復(fù)旦纖維鋰離子電池，穿身上能無線充電

　　穿著一件日常衣服出門，它可以給我們的手機(jī)無線充電，也可以為未來智能醫(yī)療智能織物供能……在科技前沿領(lǐng)域大熱的可穿戴設(shè)備有了進(jìn)一步落地的可能——來自中國的研究團(tuán)隊為可穿戴設(shè)備的“心臟”，即能源供給提供了新的有效路徑。

　　北京時間9月1日23時，頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊的一項最新研究，題為《高性能纖維鋰離子電池的規(guī)?；瘶?gòu)建》（“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”），該研究發(fā)現(xiàn)了纖維鋰離子電池(FLIBs)內(nèi)阻與長度之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，有效解決了活性材料和纖維電極界面穩(wěn)定性難題，連續(xù)構(gòu)建出兼具高安全性和高性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。

　　他們的研究成果顯示，長度為1米時，纖維鋰離子電池容量為25mAh，可以為心率監(jiān)測儀和血氧儀等商用可穿戴設(shè)備提供超過2天的使用電能?；谡w質(zhì)量的能量密度超過85 Wh/kg。同時，纖維鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池的容量保持率仍然達(dá)到90.5%，庫倫效率為99.8%。即使在曲率半徑為1厘米的情況下，將纖維鋰離子電池彎折10萬次后，其容量保持率仍大于80%。

　　研究團(tuán)隊通過紡織的方法可進(jìn)一步獲得高性能和高安全性的大面積電池織物。如果將電池織物和無線充電發(fā)射裝置集成，可安全、穩(wěn)定地為智能手機(jī)進(jìn)行無線充電；通過將纖維鋰離子電池和纖維傳感器與顯示織物集成，還可實(shí)現(xiàn)對人體汗液中鈉離子和鈣離子濃度的實(shí)時監(jiān)控和信號傳輸與顯示。

　　審稿人則評價這個工作是“儲能領(lǐng)域和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑研究”（“l(fā)andmark research not only in energy storage but also in wearable technology”）和“柔性電子領(lǐng)域的一個里程碑”（“a milestone towards the prevalence of flexible electronics”）。

　　復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士生何紀(jì)卿和路晨昊為該論文的共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項目支持。

可穿戴設(shè)備的“心臟”，十幾年前開始探索

　　“最近十多年來，人們希望織物不再是簡單的有某些單一功能，它還是智能的?！苯衲?月，彭慧勝在向澎湃新聞記者介紹他研究多年的智能織物時如是談道。

　　當(dāng)時，其率領(lǐng)的團(tuán)隊在《自然》上發(fā)表了另一項重磅研究，他們用一塊1.5平方米的“布”向外界展示，他們可以將顯示器件的制備與織物編織過程實(shí)現(xiàn)有效融合，在高分子復(fù)合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。

　　這樣的智能織物兼具智能、柔軟、適應(yīng)復(fù)雜形變、透氣導(dǎo)濕等優(yōu)點(diǎn)，是未來可穿戴等領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。然而，要想獲得廣泛應(yīng)用，前提之一還包括獲得一種高性能且安全的柔性電池。

　　直徑為數(shù)十微米至數(shù)百微米的纖維鋰離子電池是目前的主流方向之一?！霸缭?006年，我開始聽說有人把鋰離子電池做成薄膜以獲得柔性能源系統(tǒng)，這個方向?qū)τ谖磥砣祟惿鐣l(fā)展很重要，我很感興趣?！?/p>

　　然而，彭慧勝是一個愿意啃“硬骨頭”的人，他并不太想做別人已經(jīng)做過的。“當(dāng)時就一直圍繞這個領(lǐng)域琢磨，自己是否可能做個從來沒人干過甚至都沒想過的東西?！?008年回到復(fù)旦后，以前朦朧的追求突然具體了。彭慧勝想到：如果把鋰離子電池做成纖維，一定很好玩。十幾年前的彭慧勝甚至完全沒考慮實(shí)用性。

　　探索過程是漫長的。彭慧勝提到，從2008年開始，到2013年實(shí)現(xiàn)世界上第一個纖維鋰離子電池，后來進(jìn)一步拓展到纖維鋰硫電池、纖維鋅離子電池、纖維金屬空氣電池等等。然而，經(jīng)歷幾代博士生和博士后進(jìn)行工程化研究，進(jìn)展并不大。

　　何紀(jì)卿在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時表示，纖維鋰離子電池的制備主要面臨兩個難點(diǎn)。“第一，纖維鋰電池的內(nèi)阻對其電化學(xué)性能具有重要影響，但其內(nèi)阻和纖維長度的之間的關(guān)系規(guī)律仍然不是很明確；第二，因?yàn)橥耆煌钠骷Y(jié)構(gòu)，面向塊狀鋰離子電池的電極制備和器件構(gòu)建方法很難適用于纖維鋰電池，國際上纖維鋰電池的連續(xù)化制備研究幾乎是空白。”

　　迄今為止，公開報道的纖維鋰離子電池長度通常在厘米級別，基于整體電池質(zhì)量的能量密度也比較低。此外，研究團(tuán)隊在論文中還提到，這種短纖維鋰離子電池在現(xiàn)實(shí)中很難規(guī)模使用，這是因?yàn)榇罅康膶?dǎo)線連接點(diǎn)容易引起水氧侵入、電解質(zhì)泄漏和外力破壞，從而導(dǎo)致電池能性能衰減甚至失效。

　　大規(guī)模生產(chǎn)長纖維鋰離子電池、同時保持高性能，仍然是一個未能實(shí)現(xiàn)的需求。

纖維電池內(nèi)阻是如何影響性能的？“門外漢”想要試一試

　　彭慧勝團(tuán)隊此次為領(lǐng)域做出的突破性貢獻(xiàn)首先得益于一個意外的發(fā)現(xiàn)。

　　何紀(jì)卿是這項研究的第一完成人，但在剛開始加入彭慧勝的團(tuán)隊時他更像是一位“門外漢”，此前并沒有接觸過電池相關(guān)研究。

　　2012年化學(xué)專業(yè)碩士畢業(yè)后，何紀(jì)卿沒有直接繼續(xù)讀博，在接下來的5年中，他相繼在兩家知名的跨國化學(xué)巨頭工作。這被他后來重回校園后的導(dǎo)師彭慧勝認(rèn)為是優(yōu)勢之一，“他非常能聚焦解決問題，廣泛收集信息和認(rèn)真獨(dú)立思考，做出了這個發(fā)現(xiàn)。他以前在工業(yè)界，熟悉研發(fā)工作過，當(dāng)然前面我們也做了很長時間的積累，所以產(chǎn)線的設(shè)計和開發(fā)就做得很有效率?！?/p>

　　2018年底，何紀(jì)卿在逐漸融入課題組后，在之前畢業(yè)成員研究工作的基礎(chǔ)上，及時轉(zhuǎn)換研究思路，面向?qū)嶋H應(yīng)用，和團(tuán)隊成員緊密合作，在材料篩選、設(shè)計和器件構(gòu)建方法等方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)探索。

　　在初步的嘗試中，何紀(jì)卿等人通過手工，將前期設(shè)計的正極和隔膜包裹的負(fù)極纏繞在一起，制備了長度分別為0.1米、0.2米、0.5米和1米的纖維鋰離子電池，并測量了加入電解液后的電化學(xué)性能。

　　令人意外的是，研究團(tuán)隊觀察到，較長的纖維內(nèi)阻不增反降。這一發(fā)現(xiàn)超出了他們的預(yù)期，“彭老師當(dāng)時看到這個結(jié)果，但同時也很嚴(yán)謹(jǐn)，他讓我們先去重復(fù)，如果重復(fù)性沒有問題的話，我們再繼續(xù)看下一步怎么做?！焙渭o(jì)卿提到。

　　最后他們將長度拓展至10米。論文顯示，當(dāng)纖維長度范圍更廣，在0.01米至10米時，內(nèi)阻也會下降。這些結(jié)果意味著，獲得高性能的長纖維鋰離子電池是可能的。

　　彭慧勝對科學(xué)研究有著很高的要求，他希望其多年的研究成果未來能走向產(chǎn)業(yè)化，因此對工作的可重復(fù)性極其嚴(yán)謹(jǐn)。同時他仍然希望事情可行的背后有充分的理論支撐，知其然知其所以然。

　　在隨后的近一年時間里，研究團(tuán)隊進(jìn)行了大量的對比實(shí)驗(yàn)，最終總結(jié)出了纖維電池內(nèi)阻隨長度的變化規(guī)律，這為長纖維鋰離子電池的連續(xù)構(gòu)建提供了理論支撐。

　　內(nèi)阻隨纖維長度的增加而減小。

活性材料高效負(fù)載和電池連續(xù)化構(gòu)建

　　高性能的長纖維鋰離子電池在理論上可行后，研究團(tuán)隊下一步的重點(diǎn)是在方法層面上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?。

　　首先面臨的挑戰(zhàn)之一是在微米級直徑的長纖維集流體上高效負(fù)載均勻的活性材料涂層?！吧a(chǎn)電池的第一個核心點(diǎn)是如何把正負(fù)極漿料涂覆到電池集流體上?！焙渭o(jì)卿進(jìn)一步解釋道，“通常而言，目前的商業(yè)化的電池大部分是在平面基材上去涂料，這個過程相對來說比較簡單，它可以涂得很均勻，而且它厚度也容易控制。”

　　在纖維上進(jìn)行類似的工作卻非易事。論文中提到，在彎曲纖維表面上的活性材料涂層往往是不均勻的。造成這種現(xiàn)象的原因是，在活性層負(fù)載過程中，曲面結(jié)構(gòu)使得活性材料承受較大的表面張力。何紀(jì)卿形象地表示，“這就導(dǎo)致它很容易產(chǎn)生不平整的串珠結(jié)構(gòu)，”而這種不均勻的活性層對電池性能和穩(wěn)定性都非常不利。

　　何紀(jì)卿介紹，團(tuán)隊主要通過對負(fù)載裝置的針對性設(shè)計和活性層化學(xué)組分的系統(tǒng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了纖維電極均勻、穩(wěn)定和高含量的活性材料負(fù)載。

　　研究結(jié)果顯示，在百米長度的電極上，活性材料的負(fù)載重量幾乎沒有變化，上萬次彎曲后也沒有明顯的脫落現(xiàn)象。隨后，研究團(tuán)隊相繼開展了電池連續(xù)組裝和封裝等方法學(xué)研究最終實(shí)現(xiàn)了高性能纖維鋰離子電池的連續(xù)化穩(wěn)定制備。

　　長纖維鋰離子電池的連續(xù)化制備和結(jié)構(gòu)表征。

實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池投產(chǎn)，還缺什么？

　　這項研究最后的結(jié)果顯示，纖維鋰離子電池的容量隨長度線性增加?；诳傎|(zhì)量，長度1米的纖維鋰離子電池的能量密度超過80 Wh/kg，可以為心率監(jiān)測儀和血氧儀等商用可穿戴設(shè)備提供超過2天的使用電能。

　　同時，纖維鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500圈后，電池的容量保持率仍然達(dá)到90.5%，庫倫效率為99.8%。其綜合電化學(xué)性能可與某些小型商業(yè)電池相當(dāng)。

　　纖維鋰離子電池的電化學(xué)性能。

　　這種纖維鋰離子電池還具有良好的力學(xué)性能，可以很容易地將之編織成柔性透氣的織物。

　　然而，在進(jìn)一步作為織物實(shí)際應(yīng)用于可穿戴設(shè)備之前，我們還需要確認(rèn)的是其安全性，這對鋰離子電池來說尤為重要。論文研究表明，該纖維電池織物可以在彎折、動態(tài)形變、高低溫（-20℃至60℃）、穿刺和水洗等嚴(yán)苛條件下正常工作，顯示了良好的應(yīng)用潛力。

　　安全驗(yàn)證試驗(yàn)顯示，例如，纖維鋰離子電池紡織品即使以各種方式折疊或被汽車碾壓，也沒有發(fā)生燃燒或爆炸。此外，即使在機(jī)器洗滌后或被刺穿后，仍可繼續(xù)為平板電腦充電。研究團(tuán)隊還使用紅外成像儀監(jiān)測了穿刺區(qū)域周圍的溫度，沒有發(fā)現(xiàn)溫度升高跡象。

　　a-e)通過紡織方法獲得高性能和高安全性的纖維鋰離子電池織物；f-h)纖維鋰離子電池織物為智能手機(jī)進(jìn)行無線充電。

　　研究團(tuán)隊進(jìn)一步通過紡織方法，獲得了高性能和高安全性的大面積電池織物，并以此在真實(shí)的應(yīng)用場景中進(jìn)行了部分功能示范。他們在一件衣服上將電池織物和無線充電發(fā)射裝置集成，可安全、穩(wěn)定地對放置在佩戴者口袋中的智能手機(jī)進(jìn)行無線充電。整個過程持續(xù)40分鐘，沒有發(fā)生明顯的升溫現(xiàn)象，顯示了良好的安全性。

　　此外，研究團(tuán)隊通過將纖維鋰離子電池和纖維傳感器與顯示織物集成。當(dāng)用戶運(yùn)動時，纖維傳感器可檢測汗水中鈉離子和鈣離子的濃度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到信號處理芯片，該芯片可以將信息傳輸?shù)郊徔椘凤@示器。這為未來智慧醫(yī)療方面的應(yīng)用提供了可能。

　　在研究團(tuán)隊看來，其后續(xù)仍有有待完善的工作?！白鳛殡姵?，大家最關(guān)心的還是能量密度，雖然我們現(xiàn)在可以把纖維電池規(guī)?；⑦B續(xù)化制備出來，而且能量密度也很高，但是相比于現(xiàn)有的手機(jī)電池、電動汽車電池，它的能量密度還是有一定差距的?！彼麄兿乱徊降闹饕ぷ骶褪沁M(jìn)一步提高纖維鋰離子電池的能量密度。

　　此外，纖維鋰離子電池是一個能量儲存系統(tǒng)，它的終極使命是在實(shí)際應(yīng)用中供電?！拔覀兘酉聛硪龅牧硗庖粋€重點(diǎn)工作，就是讓它和真正產(chǎn)品之間的距離縮小，甚至完全消除。”

　　彭慧勝也對澎湃新聞記者表示，目前科學(xué)界致力于獲得更高能量密度和高安全性，也在發(fā)展連續(xù)化制備方法。而工業(yè)界則致力于如何把各種纖維電池用起來，包括開發(fā)低成本和高效率生產(chǎn)線、建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)展集成應(yīng)用方法等等。

　　“從目前纖維鋰離子電池的性能和工程化水平判斷，有望在3-5年實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用。如果資源比較集中和高效利用，也有可能2-3年就能實(shí)現(xiàn)?！迸砘蹌購?qiáng)調(diào)，要實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池投產(chǎn)，仍亟需解決幾方面問題。

　　首先，資源方面，需要足夠的資金、具有豐富電池研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家和一定的空間支持。其次，需要確定3-5個主要應(yīng)用方向，然后由這些方向的主流企業(yè)提出應(yīng)用要求，圍繞真正的應(yīng)用要求進(jìn)行后面的研發(fā)生產(chǎn)。最后，在具體技術(shù)方面，需要進(jìn)一步開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)化生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步提供性能，發(fā)展柔性封裝技術(shù)，獲得高效率集成方法，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。