开启能源穿戴“新时代”，复旦成果再次登上“自然”！

04-30 04:34

原创突破创新的复旦大学

衣服可以快速充电

背包化身移动电源

从那以后，手机和电脑就告别了电量焦虑。

软性能源时代即将到来。

最近，中国科学院教授，

复旦大学高分子科学系教授

最新突破的是彭慧胜研究小组

构建纤维电池织物的应用示范

从实验室到产品化的开放

“最后一公里”

这种新型纤维电池

有望创新未来的能源供应方式

提供灵活、可靠、高效的服务

电源解决方案

科幻逐渐成为现实

北京时间4月24日晚上结果

基于“聚合物凝胶电解质基础”

高性能纤维电池问题

在最新一期发表的《自然》（Nature）上

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向爬山虎学习，

在没有参考文献的情况下突破新领域

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柔软的锂电池可以通过设计纤维组织获得吗？如何制造高能量密度纤维锂电池？如何实现高安全性纤维锂电池？纤维锂电池作为能源领域的新研究内容，在发展过程中面临以上三个问题。

经过十多年的探索，彭慧胜团队相继克服了前两个问题。然而，聚合物凝胶的电解质很难与纤维电极形成紧密稳定的接触界面，导致纤维锂离子电池的储能性能非常低。因此，解决聚合物凝胶电解质和纤维电极界面不稳定问题的关键是解决第三个问题。

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纤维锂电池概念图

彭慧胜团队围绕这个问题解决了关键问题，但前沿研究不可避免地遇到了质疑。“最初的研究动机是基于个人兴趣，而不是随波逐流。我们没有模仿任何参考文献，而是选择了一个没有参考文献的新领域，放手去做。”在彭慧胜看来，做研究一定要有创新和突破。

突破的关键在于观察和思考自然。有一天，彭慧胜浏览了中国科学院上海硅酸盐研究所，注意到爬山虎可以紧密而稳定地缠绕在另一根植物藤条上。他仔细检查了一下，回去后收集了资料，了解了爬山虎和被缠绕的植物藤条“亲密”的秘密:爬山虎可以分泌一种浸润性强的液体，渗透到两者接触表面的通道结构中，使液体中的单体收缩，将爬山虎与缠绕的植物藤条粘在一起。在这些方面，孔道结构是一种普遍的实现重要生物功能的策略。

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爬山虎具有独特的生物特性

学习自然，超越自然。受此启发，团队同时制定了具有多层网络通道和导向通道的纤维电极，并设计了单个溶液，使其渗透到纤维电极的通道结构中。单次收缩反应后，产生聚合物凝胶电解质，然后与纤维电极形成紧密稳定的页面，从而兼顾高安全性和高储能特性。

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发展连续制备工艺，

建立纤维电池试生产线

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此外，该团队还开发了基于高分子凝胶电解质纤维电池连续制备工艺的纤维电池规模制备。

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制备纤维电池示意图

团队在连续制备工艺的基础上，完成了数千米长的纤维锂离子电池的制备，其能量密度达到128瓦/瓦。KG，实现5C大电流供电，可有效为无人机等大功率电器供电。高性能纤维电池具有优异的抗变形能力，10万次弯曲变形后容量保持率大于96%。

通过自行设计关键设备，团队建立了纤维电池试验生产线，实现每小时300瓦时的生产能力。这相当于一个小时生产的电池可以同时给20部手机充电。目前，试验材料的成本约为每米50分钟；纤维电池的直径只有500左右。μm。

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多卷纤维电池

团队成员展示了一个由纤维锂电池制成的可充电手提包:“手机放在这个包里可以充电，大概半个小时，手提包可以给一部正常手机充电20%到30%。”未来，团队将尝试进一步整合纤维太阳能电池，并与纤维锂电池相结合，使衣服、包包等日常佩戴物品可以直接用自然能源充电，更加环保高效。

彭慧胜认为，这种研究思路具有良好的普遍性，可以应用于制备不同材料系统的纤维电池，获得的纤维电池显示出稳定的充放电性能。团队努力使制备过程高度可控，获得的纤维电池具有良好的一致性，支持进一步大规模应用。

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制作高性能电池织物，

探索多元化应用领域

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现在，团队正在探索纤维电池的应用。

它们采用工业编织方法，制备了大型纤维电池织物，并对织物的安全性进行了系统的研究。对典型的50 cm×大小30cm的电池织物，容量可达2975毫安，与普通手机电池相当，可满足多种设备的用电需求。

为了更直观地展示纤维锂离子电池的应用潜力，团队率先试制了一款可充电概念背包，在变形、洗涤、强紫外线直射后仍能稳定供电。彭慧胜表示:“经过洗衣机100次清洗和10000次摩擦实验，电池性能基本没有受到影响。“它在高低温、机械损坏等极端环境下具有良好的安全性，可以正常运行，即使部分被切断，也能有效供电。”

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煮沸，冷冻，切断织物检测性能

该团队还进一步设计了多功能消防服。在模拟高温火灾现场的环境中，即使损坏和切断电池织物，也不会发生火灾、爆炸等安全事故，可以稳定地为对讲机、传感器等个人设备供电，几分钟内还可以将特殊衣物加热到60℃。相关成果有望应用于极地科学考试、航天工程等领域。

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多功能消防服

“纤维电池的使用场景有着广阔的想象空间，如应用于软机器人、虚拟现实设备等。我希望我们的努力能为其他研究团队提供一些经验。”彭慧胜说。

复旦有很好的基础学科和研究优势。彭慧胜领导团队十几年来一直试图回应如何将源头创新成果转化为有用的技术、产品和商品，走出具有复旦特色的发展道路。

“目前生产线上的核心零部件都是我们自己设计定制的。”接下来，他希望加强与行业的合作，邀请专业厂商参与生产线建设，进一步提高新型纤维锂电池的性能，降低成本，促进纤维电池的广泛应用。

本文是彭慧胜团队在高性能纤维电池研究领域发表的《自然》（Nature）第三个结果。彭慧胜是论文通信的作者，复旦大学高分子科学系博士后路晨昊，博士生江海波，博士生程翔然是共同的第一作者。研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x

组稿