研究团队揭示了纤维锂离子电池内阻随长度变化的规律
发布时间:2021-09-02 11:18:41 文章来源:中国科学报
身上穿的衣服就可以给手机无线充电,这听起来像科幻片的场景正在逐步成为现实。近日,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队通过系统揭示纤维

身上穿的衣服就可以给手机无线充电,这听起来像科幻片的场景正在逐步成为现实。

日,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队通过系统揭示纤维锂离子电池内阻随长度变化的规律,有效解决了聚合物复合活材料和纤维电极界面稳定难题,连续构建出兼具良好安全和综合电化学能的新型纤维聚合物锂离子电池。相关研究9月1日发表于《自然》。

国际审稿人评价这项工作是“储能领域和可穿戴技术领域的里程碑研究”“柔电子领域的一个里程碑”。

厘清内阻和长度的关系规律

作为现代电子设备的“心脏”,以锂离子电池为代表的储能器件是现代电子工业和人们生活不可或缺的组成部分。

彭慧胜团队从2008年开始研究新型柔电池系统,在2013年提出并实现了新型纤维锂离子电池,为有效满足智能电子织物等可穿戴设备能源供给需求提供了新路径。

经过最几年国际学术界的共同努力,纤维锂离子电池研究取得了系列进展,但仍然面临一些重大难题,限制了其实际应用。比如,面向块状锂离子电池的成熟生产体系很难适用于纤维锂离子电池,而国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白。迄今为止报道的纤维锂离子电池长度往往在厘米尺度,并且基于整体质量的能量密度也比较低。

“纤维锂离子电池如同毛线,要织成一件可以充电的毛衣,必须保证有足够长的毛线。”研究论文共同第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何纪卿形容道。

而要实现纤维锂离子电池的连续化构建,首先需要从源头上厘清纤维电池内阻和长度的关系规律。

团队成员突破以往的研究思路,通过大量的预实验筛选,广泛尝试了不同电学特的纤维集流体材料,最终发现并揭示出纤维锂离子电池内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定的变化规律;使用纤维集流体的导电率越高,越能有效降低纤维锂离子电池的内阻,从而有利于提升连续长纤维电池的电化学能。

上述关系规律得到了系统的实验验证,为纤维锂离子电池的连续构建提供了有力的理论支撑和依据。

实现电池连续化制备

要实现高效负载纤维锂离子电池活材料的高效连续制备,必须有效解决活材料与导电纤维集流体的界面稳定难题。

“在纤维表面进行涂覆时很容易产生串珠等涂覆不均匀的现象,就像糖葫芦一样,严重影响纤维电极制备的连续和电池的电化学能。”何纪卿解释道,经典的面涂覆方法很难适用于高曲率纤维。

为此,团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活材料的连续化方法,通过调控正负极活材料组分和黏附力,有效解决了聚合物复合活材料与导电纤维集流体的界面稳定难题。

研究团队自主设计、建立了面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置,实现了活材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精准控制,得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维电极材料。同时通过将正极纤维和包覆高分子隔膜的负极纤维缠绕组装,进行有效封装和电解液注入,最终实现了高能纤维聚合物锂离子电池的连续化制备。所制得的纤维电池容量随长度线增加,显示该构建路线具有可靠

新型电池织物应用前景

今年3月,复旦大学彭慧胜/陈培宁团队发表于《自然》的论文中,报道了他们自主研发的全柔织物显示系统。该系统可紧贴人体不规则轮廓,像普通织物一样轻薄透气,确保良好的穿着舒适度。

“前者是用电,我们现在的这个研究是供电,二者完全不同但又紧密相关。”彭慧胜说。

该纤维聚合物锂离子电池表现出了良好的综合能,显示了广阔的应用前景。基于包括封装材料在内的全电池重量,其能量密度超过85瓦时每千克,长度为1米的电池可为智能手机、手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电。

纤维锂离子电池还具有良好的循环稳定,循环500圈后,电池容量保持率仍达90.5%,库仑效率达99.8%;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%;甚至在重复水洗、挤压等严苛条件下也能够保持较为稳定的电化学能。进一步通过纺织方法,团队获得了高能的大面积电池织物。

“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。”何纪卿说。

从新现象到新规律,到连续构建关键技术的突破,到几乎所有核心设备的自主研发,再到工程化连续制备路线的不断升级……团队从未止步。

通过十多年持续不断的深入研究,研究团队已经把纤维电池从实验室样品发展到了产品模型,实现了高安全纤维聚合物锂离子电池的连续化构建,并致力于推动纤维电池和织物系统的规模化应用研究。

“可穿戴纤维锂离子电池的很多功能已经实现,但要真正推广普及,依然任重道远。”彭慧胜说。

从电池本身来说,目前纤维聚合物锂离子电池与生活中常用的面电池的能量密度相比,还有较大的提升空间;需要发展面向纤维聚合物锂离子电池构建、能评估和使用的行业标准或规范,推动其工程转化和市场化应用。此外,在应用方面如可穿戴领域,还需要更加先进的编织技术,将纤维锂离子电池高效地编织到各种衣物中,使穿着更舒适、更美观。

彭慧胜期待锂离子电池领域产业界的合作者加入,共同探索解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。(记者 陆琦)

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