用聚合物凝胶电解质取代液态电解质被认为是解决可穿戴电池安全问题和实现高灵活性的一种普遍而有效的方法。然而，由于润湿不足，聚合物凝胶电解质与电极之间的界面不佳，导致电化学性能大大降低，尤其是在电池变形过程中。
基于此，复旦大学彭慧胜院士团队报告了一种在电极中设计通道结构的策略，该策略可将聚合物凝胶电解质融入其中，并形成亲密而稳定的界面，从而制造出高性能的可穿戴电池。作为演示，他们将多个电极纤维旋转在一起以形成排列整齐的通道，同时在每个电极纤维的表面设计了网状通道。单体溶液首先沿着排列整齐的通道有效渗入，然后再渗入网状通道。然后，单体聚合生成凝胶电解质，并与电极形成亲密而稳定的界面。由此产生的纤维锂离子电池（FLB）具有很高的电化学性能（例如，能量密度约为128 Wh kg-1）。这种策略还使纤维锂离子电池的生产率高达每卷绕单元3600米/小时。连续的FLB被编织成50 cm×30 cm的织物，可提供2975 mAh的输出容量。FLB纺织品可在极端条件下安全工作，如-40°C和80°C的温度以及-0.08 MPa的真空度。该研究成功走通了柔性纤维电池研发的“最后一公里”，有望为人机交互、健康检测、智能传感等领域提供有效的能源解决方案。相关研究成果以题为“High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte”发表在最新一期《Nature》上。本文第一作者为复旦大学第十三届“学术之星”特等奖获得者——陆晨昊。
值得一提的是，这已经是彭慧胜院士团队在2024年发表的第二篇Nature，距2024年的首篇Nature仅仅过去两个多月。这一次重要技术的突破源自于对自然界的仔细观察和深思。某天，彭慧胜院士参观了中国科学院上海硅酸盐研究所，在观察到爬山虎紧密而稳定地缠绕在另一根植物藤蔓上后，他动手拔下了一些进行了详细观察。回去后，他展开了对爬山虎和被缠绕植物藤蔓之间“如胶似漆”现象的调查，发现了其中的奥秘：爬山虎能够分泌出一种具有良好浸润性的液体，这种液体能够渗透到两者接触表面的孔道结构中，随后发生聚合反应，将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓牢牢地粘在一起。受到这一发现的启发，他们成功地研发了高性能纤维电池。
【设计策略与制备】
纤维锂离子电池（FLB）通常通过将阴极纤维和阳极纤维捻合在一起来制造，纤维通过将电极浆料负载在集流体上，然后注入或吸收液体电解质来制备。作者将多个阴极纤维和阳极纤维连同分离器一起旋转，在纤维间形成排列整齐的通道（图1a,b）。在制备阴极和阳极纤维时，先将小活性颗粒沉积在薄纤维集流器上，然后再将大活性颗粒沉积在薄纤维集流器上，从而实现了紧凑稳定的颗粒层，在颗粒之间形成了内小外大的网状通道。然后，通过聚合单体形成聚合物凝胶电解质，制造出FLB的凝胶电解质-电极界面（图1b、c）。
图1.使用聚合物凝胶电解质制造FLB
【结构与表征】
为了进一步表征FLB架构和设计的通道，作者生成了横截面扫描电子显微镜(SEM)图像和能量色散X射线光谱(EDS)元素图，显示了电极纤维和网络内部形成的对齐通道活性颗粒之间形成小通道和外部大通道（图2a-f）。凝胶电解质-活性颗粒界面在3.0V的未充电状态、3.9V的半充电状态和4.4V的完全充电状态下都很亲密（图2g-i），这表明凝胶电解质在充电和放电过程中能够适应电极体积的变化。即使将FLB储存在-40°C和80°C的温度下，也没有观察到凝胶电解质和活性颗粒之间有明显的分离现象（图2j-l）。在3.0V至4.4V的不同带电状态下，钴酸锂颗粒（约486 cm-1和587 cm-1）和石墨颗粒（约1350 cm-1和1580 cm-1）的特征峰发生了变化，这反映了钴酸锂和石墨的晶格常数分别因锂离子的脱插和插层而发生了变化（图2m）。在不同的锂离子插层状态和不同的温度下，凝胶电解质充分填充了活性颗粒之间的通道，凝胶电解质的特征拉曼信号就是证明（图2g-m）。即使在反复弯曲、扭曲和拉伸各100000次之后，电解质-电极界面仍能保持紧密，电阻变化小于10%（图2n）。
图2.FLB接口的特性
作者设计了受限沉积方法来制备电极纤维。工业规模生产线上生产了数百米和数千米长度的FLB（图3a），由于稳定的电解质-电极界面，FLB在1000次充放电循环后显示出87.7%的容量保持率和99.6%的库仑效率（图3h，i），在100000次弯曲循环后显示出超过96%的容量保持率（图3j）。即使在每个卷绕单元3600mh−1的高生产率下，仍保持高容量，并且输出能量随FLB长度线性增加，对于1米长的FLB达到423mWh（图3b，c）。此外，在20种不同的FLB中观察到电化学特性（例如容量、电阻、库仑效率和中点电压）的窄分布（图3d-g），这表明制造的再现性很高。
图3.FLB的电化学特性
【应用】
作者将FLB编织成柔性动力纺织品，以展示其实际应用的能力（图4）。他们展示了FLB纺织品在消防和太空探索中的应用。通过集成FLB纺织品以及温度和气体传感器构建了多功能消防服。在高温火场的模拟环境中，电池织物在即使被磨损剪断后仍没有发生着火、爆炸等安全事故，并稳定地为对讲机、传感器等消防员随身设备供电。此外，电池织物可以为大功率用电器安全供电，如可以将加热服在几分钟内加热到60℃，有望应用在极地科考等领域中。
图4.FLB纺织品的应用
【总结】
本文开发出了带有聚合物凝胶电解质的高性能FLB，通过在电极纤维之间设计排列整齐的通道以及在电极纤维内部设计网络化通道，使其与电极纤维紧密稳定地连接在一起。由通道式电极纤维组装而成的FLB具有约128 Whkg-1的高能量密度以及足够的柔韧性和稳定性，可承受100000次变形循环。FLB还非常安全，即使在80°C和-40°C的高温和低温以及-0.08 MPa的真空等极端条件下也能有效工作。FLB的制造速度高达每卷绕单元3600米/小时，可用于工业规模的生产和应用。这些FLB被编织成大面积的电源纺织品，可输出与商用电池类似的高容量，从而为柔性电子、生物医学工程、太空探索和可穿戴设备等多个应用领域提供了一种前所未知的有效电源。对于这些FLB，未来应努力优化凝胶电解质，以提高储能性能，并设计高效的集成方法，以生产大规模的动力纺织品。
来源：高分子科学前沿
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