复旦彭慧胜团队又发《Nature》！有望实现为手机充电的衣服

编辑推荐：本文首次发现纤维锂离子电池（FLIBs）的内阻随着长度增加而减小的规律，因此可以生产出高性能的长FLIBs。使用工业纺织机将FLIBs编织成大面积纺织品，具有足够的能量来为大型电子设备供电。制造成本每米略低于0.05美元，也可以集成到日常服装中，为手机充电，并作为实时健康管理和反馈工具。

纤维锂离子电池因其能够被编织成各种类型的纺织品，为未来的可穿戴电子设备提供方便的方式而具有极大的发展潜力。然而，大规模生产的限制和较长的纤维中较高的内阻被都会损害电化学性能。

基于此，复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员发现了纤维锂离子电池中纤维的内阻与长度之间具有双曲余切函数关系，即随着长度的增加，它首先下降，然后趋于平稳，材料和纤维电极界面稳定性得以解决，从而批量化地制备出了具有高安全性和高性能的纤维锂离子电池。相关论文以题为“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”于9月2日发表在Nature。更多精彩视频，请抖音搜索“材料科学网”。

据悉2021年3月10日，复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员在Nature上发表了题为“Large-area display textiles integrated with functional systems”的文章，介绍了聚氨酯离子凝胶集成显示纺织品的方法，这也是半年内该团队的第二篇Nature。（相关阅读：厉害！复旦大学《Nature》成果登上《新闻联播》）

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0

为了使纺织电池在便携式和可穿戴电子产品中得到广泛应用，必须能够批量生产柔性、安全和可清洗的纤维电池线轴。一个主流方向是制造直径为数十至数百微米的纤维锂离子电池 (FLIBs) 电池，其可以轻松编织成具有足够容量的可穿戴和透气纺织品，以满足各种可穿戴电子设备的功率需求。在过去十年中都在探讨如何制造电化学性能更好的FLIBs。然而，迄今为止获得的纤维只有几厘米长，基于整个电池质量具有低能量密度(<1 Wh/kg) 。如此短的FLIBs是不切实际的，同时连接它们的附件会损害纤维的能量密度和稳定性；例如，水/氧气侵入、电解液泄漏或机械故障都可能发生在这些连接处。大规模生产长FLIBs同时保持高性能和长度仍然是一个未满足的需求。

具体来说，在初步尝试生产长FLIBs时，将钴酸锂 (LCO) 涂覆在商用铝线周围以形成正极，并在铜线周围涂覆石墨以形成负极。同时通过手动将正极和隔膜包裹的负极纤维电极扭在一起，制造了不同长度（0.1 m，0.2 m，0.5 m和1 m）的FLIBs，并在添加电解质后测量了它们的电化学性能。同时，由此制备的FLIBs中纤维的内阻与长度之间具有双曲余切函数关系，即随着长度的增加，它首先下降，然后趋于平稳，这种独特的结果适用于不同的纤维电池。通过优化可扩展工业流程生产数米的高性能纤维锂离子电池，即基于钴酸锂/石墨纤维全电池的能量密度可以达到85.69 Wh/kg，在充放电500次后容量保持率高达90.5%，且在1C倍率下能够达到93%，这与软包电池等商业化电池相当。即使在纤维弯曲 100000次后仍可保持80%以上的容量。

图1.测量和预测的FLIBs内阻随着纤维长度的增加而降低

图2.长FLIBs的连续制造和结构表征

图3.FLIBs的电化学性能

图4.FLIBs纺织品的应用

总之，本文第一次发现了FLIBs的内阻随着长度的增加而减小的规律，因此实际上可以生产出高性能的长FLIBs。本文使用工业纺织机将FLIBs编织成大面积纺织品，生产出的FLIBs纺织品具有足够的能量来为以前无法由FLIBs供电的大型电子设备供电。同时，FLIBs制造成本每米略低于0.05美元，对于广泛的消费应用来说是经济的。

本文的FLIBs纺织品也可以集成到日常服装中，为手机无线充电，并作为实时健康管理和反馈工具。尽管如此，为了生产下一代智能纺织品以及生物医学和商业可穿戴设备，仍然需要先进的编织方法和/或设备来进一步优化FLIBs之间的有效连接，并更好地将FLIBs与其他纺织设备集成。此外，使用具有更高比容量的活性材料，可以获得具有更高能量密度的FLIBs。作者相信，凭借大规模生产高性能FLIB的能力，其应用范围能够被进一步拓宽。（文：Doublenine）