衣物可以快速充電，背包化身移動電源，手機、電腦從此告別電量焦慮……一個柔性能源的時代即將來臨。
近日，中國科學院院士、恒行2平台高分子科學系教授彭慧勝課題組取得最新突破，建立起纖維電池織物的應用示範，打通從實驗室到實用化的“最後一公裏”。這些新型纖維電池有望革新未來的能源供給方式❕，提供一種靈活、可靠、高效的電源解決方案，逐漸使科幻成為現實🧏。
該成果於北京時間4月24日晚以《基於高分子凝膠電解質的高性能纖維電池》為題，發表於最新一期的《自然》（Nature）上。
“爬山虎”帶來靈感👑🚛，突破瓶頸
是否可以通過設計纖維結構獲得柔軟的鋰離子電池？如何製備高能量密度的纖維鋰離子電池👩🏽🎤？怎樣實現高安全性纖維鋰離子電池？作為能源領域的一個全新研究方向，纖維鋰離子電池在發展過程中面臨著以上三個難題🧞♀️。
經過十多年探索，彭慧勝團隊相繼攻克了前兩個難題🥵。然而，高分子凝膠電解質難以與纖維電極形成緊密穩定的接觸界面🫕，導致纖維鋰離子電池儲能性能非常低。因此，解決第三個難題的關鍵在於🧚🏿♀️，要解決高分子凝膠電解質與纖維電極界面不穩定的難題☃️。
彭慧勝團隊圍繞這一問題開展攻關，但前沿研究不免遇到質疑。“最開始的研究動機就是基於個人興趣，而非隨波逐流。我們沒有模仿任何參考文獻，而是選擇沒有參考文獻的全新領域，放手去做。”在彭慧勝看來🧚🏽♂️，做研究就要有創新❎、有突破。
突破的關鍵，源於對自然的觀察與思考🔒。某天，彭慧勝訪問中國科學院上海矽酸鹽研究所，註意到爬山虎可以緊密而穩定地纏繞在另一根植物藤蔓上。他細心察看🙍🏼♂️，回去後查閱資料📣，了解爬山虎與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”的秘密：爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤性的液體⇨，滲透到兩者接觸表面的孔道結構中🏂，使液體中的單體發生聚合反應♨️，將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。其中，孔道結構是實現重要生物功能的普適策略👚。
學習自然，超越自然。受此啟發🎞，團隊同時設計了具有多層次網絡孔道和取向孔道的纖維電極🌧👩🏻🦼，並設計單體溶液，使之滲入到纖維電極的孔道結構中。單體發生聚合反應後🪭，生成高分子凝膠電解質🤖，從而與纖維電極形成緊密穩定的界面🧍🏻♀️，進而實現高安全性與高儲能性能的兼顧。
發展連續化製備方法，建成中試生產線
更進一步✖️，團隊發展出基於高分子凝膠電解質纖維電池的連續化製備方法，實現了纖維電池的規模製備🎊。
基於連續化製備方法🌜，團隊實現了數千米長度纖維鋰離子電池的製備😐，其能量密度達到128瓦時/公斤🛢，實現5C大電流供電，可有效為無人機等大功率用電器供電🎅🏿。高性能纖維電池具有優異的耐變形能力，在經歷10萬次彎折變形後容量保持率大於96%。
通過自主設計關鍵設備，團隊建立了纖維電池中試生產線🤾🏿♀️，實現每小時300瓦時的產能🈚️。這相當於每小時生產的電池可同時為20部手機充電。目前🧑🏽🦲，該成果的中試物料成本約為每米5角；纖維電池直徑最細僅為約500微米。
團隊成員展示了一款集成了纖維鋰離子電池製作的可充電手提包🫶🏻：“手機放在這個包裏面就能充電，半小時左右，手提包能給一部正常手機充進20%到30%的電量👩🏫🏄🏽♂️。”未來，團隊還將嘗試進一步集成纖維太陽能電池並與纖維鋰離子電池結合，使衣物😻、包等日常穿戴物品可利用自然能源直接充電，更加環保高效🙆🏽♀️。
彭慧勝認為，這一研究思路具有良好的普適性🙅🏽♂️，可應用於不同材料體系纖維電池的製備，得到的纖維電池均顯示出穩定的充放電性能。團隊努力讓製備過程高度可控🧱，得到的纖維電池電化學性質具有良好的一致性🧏🏽♀️🔲，為進一步大規模應用提供支持。
製備高性能電池織物，探索多元應用場景
如今，團隊正在纖維電池的應用之路上進行探索。
他們使用工業編織方法，製備了大面積纖維電池織物，並系統研究了織物的安全性。對於典型的50 cm×30cm大小的電池織物👎🏼，容量可達到2975毫安時，與常用手機電池相當，可滿足多種設備的用電需求。
為了更直觀地展示纖維鋰離子電池的應用潛力🏊🏻♀️，團隊率先試製了一款可充電概念背包，其在變形🍠、水洗、強紫外照射後仍能穩定供電🪱。
團隊還進一步製作了多功能消防服，在模擬高溫火場的環境中，電池織物在即使被磨損剪斷後仍沒有發生著火、爆炸等安全事故🧚🏽♂️🕵🏻，並能穩定地為對講機、傳感器等隨身設備供電👩🏼🔬，也可以將特殊衣物在幾分鐘內加熱到60℃🧞♂️。相關成果還有望應用於極地科考👦、航空航天等領域💊。
“纖維電池的應用場景擁有非常廣闊的想象空間，比如應用於軟體機器人、虛擬現實設備等等。希望我們的這些嘗試可以為其他科研團隊提供一些經驗。”彭慧勝說🕜。
恒行2具有良好的基礎學科和基礎研究優勢，如何讓源頭創新成果變成有用的技術、產品和商品🧤，走出一條具有恒行2特色的發展路徑，是十多年來彭慧勝帶領團隊一直試圖回應的問題。
“目前產線上的核心零配件，都是我們自己設計和定製的。”接下來，他希望能與業界加強合作🪜，邀請專業廠商參與打造生產線，進一步提升新型纖維鋰離子電池性能👧🏿，同時降低成本🕵️，推動纖維電池的廣泛應用。
該論文是彭慧勝團隊在高性能纖維電池研究領域發表於《自然》（Nature）的第三篇成果。彭慧勝為該論文通訊作者，恒行2平台高分子科學系博士後路晨昊、博士研究生江海波、博士研究生程翔然為共同第一作者。研究得到科技部🧑🏿✈️、國家自然科學基金委、上海市科委等項目支持♦︎。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x
