可穿戴设备穿着用新电池编织的衣服

可穿戴纤维聚合物锂离子电池概念图图片由受访者提供。

大于80%

该纤维锂离子电池具有良好的循环稳定性。500次循环后，电池的容量保持率仍达到90.5%，库仑效率为99.8%。当曲率半径为1 cm时，光纤锂离子电池弯曲10万次后容量保持率仍大于80%。即使在反复洗涤和挤压等恶劣环境下，电化学性能也能保持相对稳定。

出门不用带充电器和充电宝，可以通过衣服给手机无线充电。——这一幕，听起来像是科幻电影，正在逐渐变成现实。

这是复旦大学高分子科学系彭慧生团队的研究方向之一。近期，该团队系统揭示了纤维锂离子电池内阻随长度的变化规律，有效解决了聚合物复合活性材料与纤维电极的界面稳定性问题，连续构建了安全性好、综合电化学性能优异的新型纤维聚合物锂离子电池。

相关研究成果命名为《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》，发表于《自然》杂志主刊。审稿人评价这项工作是“储能和可穿戴技术领域的里程碑”和“柔性电子领域的里程碑”。该研究得到了科技部、国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的支持。

理论探索，摸清电池内阻变化规律

以锂离子电池为代表的储能器件作为现代电子设备的“心脏”，是现代电子工业和人们生活中不可或缺的一部分。彭慧生团队从2008年开始研究新型柔性电池系统，并于2013年提出并研发了新型纤维锂离子电池，为有效满足智能电子面料等可穿戴设备的能源供给需求提供了新途径。

经过近年来国际学术界的共同努力，纤维锂离子电池的研究取得了一系列积极进展，但仍面临一些重大问题，限制了其实际应用。关键挑战在于成熟的散装锂离子电池生产体系难以应用于纤维锂离子电池，国际上对连续制备纤维锂电池的研究几乎是空白。到目前为止，报道的纤维锂离子电池长度往往以厘米为单位，基于整体质量的能量密度相对较低。

“纤维锂离子电池就像羊毛。要织一件可以充电的毛衣，必须保证有足够的羊毛。”上述论文的共同第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何、陆对此进行了描述。

在长期的研究过程中，研究团队逐渐认识到，要实现纤维锂离子电池的持续构建，首先要解决一个重要的科学问题，即从源头上厘清纤维电池内阻与长度的关系。团队突破了以往的研究思路，通过大量的前期实验，尝试了不同电学特性的纤维集流体材料。最后，随着长度的增加，纤维锂离子电池的内阻先减小后逐渐稳定。而且，纤维集流体的电导率越高，对降低纤维锂离子电池内阻越有效，有利于提高连续长纤维电池的电化学性能。上述关系已被实验系统验证，为纤维锂离子电池的持续构建提供了有力的理论支持和依据。

创新路线，实现连续化制备

为了实现高效负载型纤维锂离子电池活性材料的高效连续制备，需要有效解决活性材料与导电纤维集流体之间的界面稳定性问题。“涂在纤维表面容易产生串珠等不均匀涂层，就像糖葫芦一样，严重影响纤维电极制备的连续性和电池的电化学性能。”庆忌解释说，经典的平面涂布法很难应用于高曲率纤维。

为此，该团队开发了一种纤维锂离子电池活性材料高效负载的连续化方法，通过调控正负极活性材料的成分和附着力，有效解决了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体之间的界面稳定性问题，并自主设计建立了纤维锂离子电池连续化施工的标准化装置，实现了活性材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精确控制，获得了高负载量、均匀包覆、高匹配能力的正负纤维电极材料。该团队进一步将涂有聚合物隔膜的阳极纤维和阴极纤维缠绕组装，并有效封装注入电解液，最终实现高性能纤维聚合物锂离子电池的连续制备。纤维电池的容量随长度线性增加，说明该施工路线具有良好的可靠性。

今年3月，彭慧生、陈培宁团队论文《大面积显示织物及其功能集成系统》发表于《自然》杂志主刊。他们自主研发的全柔性面料展示系统，可以贴近人体不规则轮廓，和普通面料一样轻薄透气，保证良好的穿着舒适性。

谈及这一成果，彭慧生说：“前者是电，而我们目前的研究是电源。两者完全不同，但密切相关。”

纤维聚合物锂离子电池表现出良好的综合性能和广阔的应用前景。基于包括包装材料在内的整个电池的重量，其能量密度超过85 Wh/kg。1米长的电池可以长时间持续有效地为智能手机、手环、心率监测器、血氧计等可穿戴电子设备供电。纤维锂离子电池还具有良好的循环稳定性。500次循环后，电池的容量保持率仍达到90.5%，库仑效率为99.8%。当曲率半径为1 cm时，光纤锂离子电池弯曲10万次后容量保持率仍大于80%。即使在反复洗涤和挤压等恶劣环境下，电化学性能也能保持相对稳定。进一步，通过纺织的方法，团队获得了高性能的大面。

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提高……团队从未止步。通过十多年持续不断的深入研究，团队已经把纤维电池从实验室样品发展到了产品模型，特别是实现了高安全性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，但对于真正的推广普及来说，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平面电池的能量密度相比，还有较大的提升空间；也需要发展面向纤维聚合物锂离子电池构建、性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，在很多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。

彭慧胜表示，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。