新型锂电池手机纤维锂离子电池问世，手机随放随充，可穿戴设备或将迎来能源革命|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

纤维锂离子电池问世，手机随放随充，可穿戴设备或将迎来能源革命

以后出门，不用带充电器和充电宝，把手机仍在衣服的兜里，或者手提包里就能给手机充电，这样科幻版的场景，已经被我们中国人实现。那么这次是复旦大学立功了，开发出一种新型纤维电池，或将改变能源供应的现有格局。

复旦大学彭慧胜团队，通过技术创新，持续取得突破，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，连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纤维聚合物锂离子电池。相关研究成果以《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》为题，发表于《自然》主刊，并被审稿人评价为“储能领域和可穿戴技术领域的里程碑研究”和“柔性电子领域的一个里程碑”，其权威性毋庸置疑。

随着移动互联网、万物互联的快速发展，尤其是穿戴设备越发兴起，柔性电池也迎来了发展良机，所以纤维锂离子电池便成为了一种颇具潜力的技术方案。

但是长久以来，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。

迄今为止，有报道的纤维锂离子电池长度往往都是厘米级，并且基于整体质量的能量密度也比较低，这些难题也限制了纤维锂离子电池的实际应用。

福达大学的科研团队，广泛尝试了不同电学特性的纤维集流体材料，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。最终，实现了高效的连续化制备方法。

该纤维锂聚合物离子电池表现出了良好的综合性能，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。

可见，这是一个巨大的突破。并且，通过努力，还实现了高性能的大面积电池织物，这也意味着，这种纤维离子电池已经具备广泛的实用场景和应用价值。

例如，团队就展示了一款集成纤维锂离子电池的手提包，把手机放进包里就能实现半小时充电20-30%。

当然，目前来说还有各种问题有待解决。例如，这种纤维聚合物锂离子电池，与普通的锂离子电池在能量密度上，还有提升空间。以及，电池织物和无线充电发射装置的集成，通过自然能源充电等等。这就需要我们的科学家们，通过聪明才智，逐一突破了。

总之，未来的某一天，电池将不再局限于块状形态，除了日常的衣服、拎包，在使用软性材料的地方，都可以通过这种纤维锂离子电池织物进行一定程度的替代，例如汽车、火车的座椅，还有一些特特殊场景，例如消防员、警察、士兵、救援人员穿的外套等等，有需求的情况下，可以提供充电功能。可见，这在某些紧急情况下，将会发挥出巨大的作用。

总之，这样的科幻版的场景，又要被我们中国实现了，也让我们给复旦大学的科研人员们点赞。

新型固态锂电池面世，兼具快充能力，有望用于手机和汽车等

研究人员发现，尽管全固态锂金属电池有望实现较高的能量密度、以及快速充电能力，但是高压氧化物正极与固体电解质（SSE，solid state electrolyte）之间的界面不稳定性，以及锂金属负极与固体电解质界面处的锂枝晶生长，制约了这一目标的实现。

在近期一项工作中，美国马里兰大学王春生团队从这两个关键的制约因素出发，通过合理的界面设计方案，打造了具备较高能量密度的全固态锂金属电池，并成功实现了快速充电的能力。

电池的高能量密度和快充能力，是当前电子产品和电动汽车等的设备普遍需求，因此该成果有可能用于手机、电动汽车、电脑等领域。

该课题组前期的研究[1]发现临界相间过电位是衡量固体电解质界面（SEI，solid–electrolyte interphase）抑制锂枝晶生长能力的关键因素。

为了实现界面较高的锂枝晶抑制能力，就得让锂枝晶生长的驱动力，低于固体电解质界面本征的锂枝晶抑制能力。

因此，要实现高容量以及大倍率下的充放电，对于 Li/ 固体电解质界面来说，必须为其设计一个界面，以便可以同时提高锂枝晶抑制能力，以及降低锂枝晶生长的驱动力。

在高容量以及大倍率下，电池充放电的稳定性也与正极有关。对于液态锂离子电池来说，已经有大量研究证明元素 F 能在很大程度上保持 NMC811 正极的稳定性。

后来，他们选择四氟硼酸锂作为 NMC811 表面的包覆层。通过将一部分 F 从 NMC811 表面电化学迁移到 NMC811 体相，让 NMC811/Li6PS5Cl 界面、以及 NMC811 体相实现了较好的稳定性。

而要想通过界面层来降低锂枝晶生长的驱动力，就得实现 Li/ 固体电解质之间各个界面的紧密接触。以人工方式加入界面层时，会存在接触不均匀的问题。而在电化学反应过程中，原位生成的界面则能实现各个界面之间的紧密接触。

通过筛选各种金属材料，他们发现镁能同时与 Li6PS5Cl 和锂反应，而生成的 LiMgSx 以及 LiMg，可以起到粘结剂的作用，从而实现 Li6PS5Cl/ 锂化铋以及锂/锂化铋界面之间的紧密接触。

另外，通过提高金属锂与界面层的接触，可以进一步降低界面阻抗，从而进一步降低锂枝晶生长的驱动力。要想实现这一目标，通过设计多孔界面层即可实现。

而在多孔界面层中，要想进一步降低锂沉积的过电位，并使锂沉积在锂和多孔界面层之间，就要求多孔界面层具有较高的离子/电子电导率比。通过筛选各个材料，他们发现锂化铋的确能够满足这些条件。

同时，他们发现镁在锂沉积过程中会向锂负极侧迁移，这样一来就能原位得到锂化铋多孔界面层。于是，课题组使用 Mg16Bi84 作为锂/固体电解质之间的界面层。

虽然实验结果显示镁可以原位迁移，同时 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。但是，他们仍然不清楚镁迁移的内在原因。

后来，课题组通过大量表征、实验和计算，确定了相关机理。即镁的迁移主要依赖于以下几个原因：

其一，镁能和 Li+ 能形成（LiMgx）+；

其二，镁能和锂形成固溶体；

其三，在锂化铋之中，（LiMgx）+ 的迁移能垒较低，而 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。

凭借这几方面优势，让 Mg16Bi84 界面层能够有效地防止锂枝晶的生长，并能在大容量和大倍率之下，实现锂金属高度可逆的沉积和脱出。

总的来说，本次工作通过采用价格低廉的 Mg16Bi84 界面层，既让全固态锂金属电池拥有了较高的能量密度，也让其实现了快充能力。

图 | 相关论文（来源：Nature）

日前，相关论文以《全固态锂电池界面设计》（Interface design for all-solid-state lithium batteries）为题发在 Nature[2]，马里兰大学万红利博士是第一作者，王春生教授担任通讯作者。

图 | 万红利（来源：万红利）

基于这款电池的设计原理，他们正在研究新的界面层，以便进一步地降低成本。另据悉，万红利目前在该课题组从事博士后研究，未来即将回国进行后续科研工作。

参考资料：

1.Nature Energy, 2023, 8，473-481

2.Wan, H., Wang, Z., Zhang, W.et al. Interface design for all-solid-state lithium batteries. Nature 623, 739–744 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06653-w

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