锂电池内穿半年内两篇《自然》！复旦彭慧胜团队织出能穿的高性能锂电池|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

半年内两篇《自然》！复旦彭慧胜团队织出能穿的高性能锂电池

澎湃新闻首席记者贺梨萍

间隔不到半年时间，复旦大学高分子科学系彭慧胜教授团队在顶级学术期刊《自然》（Nature）再次发表重磅研究。这次，研究团队连续构建出了兼具高安全性和高性能的新型纤维聚合物锂离子电池。

9月1日23时，上述研究成果在线发表，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”）。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（www.thepaper.cn）记者介绍他研究多年的智能织物时如是谈到。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。

这样的智能织物可实现器件功能、纺织方法、织物形态的有机融合，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。彭慧胜就此次这项最新成果对澎湃新闻记者表示，“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。

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（www.thepaper.cn）记者采访时提到，纤维锂离子电池的制备主要面临两个难点。“第一，此前人们有理论上的认知局限，过去通常认为纤维锂离子电池越长其内阻就越大，会影响它电化学性能的发挥，也就很难实现较长的纤维锂离子电池；第二，纤维锂离子电池本身是很新的领域，面向块状锂离子电池的成熟生产体系很难适用于它，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往往只有几厘米，基于整体电池质量的能量密度也比较低（如<1Wh/kg）。研究团队在论文中提到，这种短纤维锂离子电池在现实中并不可用，连接它们的器件会损害纤维的能量密度和稳定性，例如，水或氧侵入、电解质泄漏、机械故障都可能发生在这些连接处。

研究团队在论文中写道，大规模生产长纤维锂离子电池、同时保持高性能，仍然是一个未满足的需求。

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纤维锂离子电池织物为智能手机进行无线充电。研究团队提供(00:21)

彭慧胜团队在研究纤维锂离子电池连续化制备的过程中意外发现，纤维锂离子电池内阻随长度增加而降低，进一步探究发现纤维锂离子电池的内阻与长度呈双曲余切函数关系，即随着长度的增加内阻先降低后逐步趋于稳定。使用导电率较高的纤维集流体，有利于降低纤维锂离子电池的内阻。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奠定了理论基础。

进一步，彭慧胜团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法，有效解决了聚合物复合活性层与导电纤维集流体的界面稳定性难题，并通过自主设计和建立面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置，实现了活性材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精准调控，获得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维材料。进一步将正极纤维和包覆隔膜的负极纤维进行缠绕组装，并进行有效的封装，最终实现了高性能纤维锂离子电池的连续化制备。

长纤维锂离子电池的连续化制备和结构表征。

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。长度为1米时，纤维锂离子电池容量为25 mAh。足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%。

研究团队进一步通过纺织方法，获得了高性能和高安全性的大面积电池织物，并以此在真是的引用场景中进行了部分功能示范。

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。

他们在一件衣服上将电池织物和无线充电发射装置集成，可安全、稳定地对放置在佩戴者口袋中的智能手机进行无线充电。充电前，纤维锂离子电池电压为4.4V；当手机放在无线充电器上时，充电就开始了；充电完成后，电压降至3 V。整个过程持续40分钟。

在整个充电期间，红外热图像显示电池织物的温度变化小于5°C。研究团队提到，这一电池织物在温度高达40°C的情况下仍然可以继续良好和安全地工作，因此可安全穿戴。

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。信号在10分钟内被采集并显示，用户可以通过纺织品显示器实时观察和监控自己的健康状况。

彭慧胜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。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。研究团队期待，锂离子电池领域产业界的合作者能够加入进来，在较短时间内有效解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。

责任编辑：李跃群

复旦纤维锂离子电池，穿身上能无线充电

出门不需要带充电器和充电宝，通过身上穿的衣服，就可以对手机进行无线充电。这样的场景正在逐步成为现实。

这是复旦大学高分子科学系彭慧胜团队的研究方向之一。

近日，团队通过系统揭示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和纤维电极界面稳定性难题，连续构建出新型纤维聚合物锂离子电池，这一电池兼具良好安全性和综合电化学性能。

研究示意图复旦大学供图

9月1日，相关研究成果以《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”）为题，发表于《自然》（Nature）主刊。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”（“landmark research not only in energy storage but also in wearable technology”）和“柔性电子领域的一个里程碑”（“a milestone towards the prevalence of flexible electronics”）。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。

纤维锂离子电池如毛线，保证长度是挑战

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年开始研究新型柔性电池系统，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。

经过最近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积极进展，但一些重大难题限制了其实际应用。

其关键挑战在于，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。

研究示意图复旦大学供图

“纤维锂离子电池就如同毛线，要织成一件可以充电的毛衣，必须保证有足够长的毛线。”这篇论文的共同第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何纪卿和路晨昊这样表示。

在长期研究过程中，团队逐渐意识到，要实现纤维锂离子电池的连续化构建，首先需要解决的一个重要问题，如何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性的纤维集流体材料，最终发现并揭示出纤维锂离子电池的变化规律——内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定，并且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性能。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。

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

“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，严重影响了纤维电极制备的连续性和电池的电化学性能。”何纪卿解释道，经典的平面涂覆方法很难适用于高曲率的纤维。

为此，团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法，通过调控正负极活性材料组分和粘附力，有效解决了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题，并自主设计和建立了面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置，实现了活性材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精准控制，获得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维电极材料。

团队进一步将正极纤维和包覆高分子隔膜的负极纤维进行缠绕组装，并进行有效的封装和电解液注入，最终实现了高性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性增加，显示该构建路线具有良好的可靠性。

“穿”在身上的电池，应用前景广阔

今年3月，复旦大学彭慧胜/陈培宁团队论文《大面积显示织物及其功能集成系统》（“large-area display textiles integrated with functional systems”）发表于《自然》（Nature）主刊，他们自主研发的全柔性织物显示系统，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。

谈起这一成果，彭慧胜表示：“前者是用电，现在这个研究是供电，二者完全不同但又紧密相关。”

该纤维锂聚合物离子电池表现出了良好的综合性能，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85Wh/kg，长度为1米的电池可以为智能手机、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%；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、挤压等严苛环境下也可以保持较为稳定的电化学性能。

进一步通过纺织方法，团队已经获得了高性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提高……通过十多年持续深入研究，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。

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锂电池内穿半年内两篇《自然》！复旦彭慧胜团队织出能穿的高性能锂电池

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复旦纤维锂离子电池，穿身上能无线充电