入选“中国科学年度十大进展”，这项技术将颠覆移动充电宝产业

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）由于续航焦虑，智能手机一方面在积极推动充电效率、用电效率和电池容量的提升，同时也对移动电源应用有着巨大的带动作用。根据QYResearch发布的《2021-2027全球与中国移动电源市场现状及未来发展趋势》，2020年全球移动电源市场规模达到了41.38亿美元，预计2027年将达到60.71亿美元，年复合增长率（CAGR）为5.40。
 
然而，随着技术的进步，面向消费类应用的移动电源，比如用于智能手机和笔记本电脑充电的移动电源，或许会逐渐突破我们所熟知的块状充电宝形象，进一步融入到人们的生活之中。
 
近日，复旦大学先进材料实验室和高分子科学系彭慧胜教授团队的研究成果入选2021年度“中国科学十大进展”引发行业关注。该团队提出了一种“高性能纤维锂电池的构建方法”，在年初时段，相继入选了2021年度“中国半导体十大研究进展”以及“中国科学十大进展”。

十年磨一剑

“中国科学十大进展”是由科技部基础研究管理中心等部门组织开展，涵盖自然科学所有领域的重要进展，是我国基础研究传播工作的品牌项目。“中国科学十大进展”的项目推荐由数家国内科学技术领域头部报刊编辑部完成，评选则由两院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者完成，因此含金量和社会认可度极高。
 
入选第17届“中国科学十大进展”的项目还包括天问一号探测器、中国空间站天和核心舱、可编程二维62比特超导处理器等。因此，能够入选彰显了彭慧胜教授团队研究项目的技术领先性。
 
据介绍，彭慧胜教授团队的项目全称为“实现高性能纤维锂离子电池规模化制备”，重点发现了纤维锂离子电池内阻与长度之间的双曲余切函数关系，有效解决了活性材料和纤维电极界面稳定性难题，连续构建出兼具高安全性和高性能的新型纤维聚合物锂离子电池。

 

可穿戴电池织物示意图，图源：复旦大学

根据相关报道，彭慧胜教授团队自2008年开始从事新型柔性电池系的研究，2013年率先在国际上提出并实现了新型纤维锂离子电池。
 
能够研发出新型纤维锂离子电池的规模制备方法，也要归功于彭慧胜教授团队对导电纤维的深刻理解。该团队于2009年提出聚丁二炔与取向碳纳米管复合以制备新型电致变色纤维的研究思路，并一直研究至今。2021年3月，彭慧胜教授团队的全柔性织物显示系统成果登上了《自然》杂志，被审稿人评价为“创造了重要而有价值的新知识”。

 

图源：《自然》杂志

在织物显示方面，根据彭慧胜的介绍，该团队通过涂覆有发光材料的导电纱线和透明导电纤维交错组成独特的搭接结构，施加交流电压后，位于发光纤维上的高分子复合发光活性层在搭接点区域被电场激发，就形成一个个发光像素点。利用工业化编织设备，实现了长6米、宽0.25米、含约50万个发光点的发光织物，发光点之间最小的间距为0.8毫米。
 
两项研究可谓相辅相成，助力该团队在纤维锂离子电池方面实现进一步的突破。据介绍，长度为1米的纤维聚合物锂离子电池就可为智能手机、手环心率监测仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电。而通过纺织的技术，将能够制造出大面积的纤维聚合物锂离子电池。
 
彭慧胜指出：“一件由纤维锂离子电池织造的成人衬衣，相当于一个移动充电宝，一次充满可以给智能手机充电约20次。”
 
2021年9月1日，彭慧胜教授团队的相关研究成果以《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》发表在了《自然》杂志的主刊上。
 
据报道，彭慧胜教授团队经过8年的持续探索后发现，纤维锂离子电池的内阻并非随着长度一直线性增加，反而先下降后逐步趋于稳定。这是一项重大的研究发现，在此之前，国际上纤维锂离子电池长度是厘米级的，并且能量密度低，不足以构建规模应用。
 
在清晰理解纤维锂离子电池内阻和长度之间的独特关系之后，彭慧胜教授团队实现纤维锂离子电池的连续化构建，让其能像普通毛线一样，可以用来织成一件毛衣。
 
在制备方法上，涂覆方式是实现高效负载纤维锂离子电池活性材料连续制备的主要方式，但并不是借助传统的平面涂覆，过程中产生的串珠等涂覆不均匀现象会严重影响纤维电极制备的连续性和电池的电化学性能。
 
该团队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。根据彭慧胜的描述，“过去，在实验室做一件基于纤维锂离子电池的衬衣，成本是一个天文数字，现在我们把成本降低到了几百上千元，未来随着规模化还将进一步降低。”

呼吁产业链合作跟进

据彭慧胜在接受采访时表示，最开始该团队是想打造纤维太阳能电池，不过产生的电能如何储存是一个难题，因此该团队才开始研发纤维锂离子电池。
 
在使用问题上，纤维锂离子电池要面对的第一个问题是安全问题，毕竟充放电是化学反应，过往移动充电宝就经常发生意外。彭慧胜针对这个问题说到，该团队的成果非常安全，并且对敏感肌肤很友好。
 
第二个问题是耐用度的问题，织物必然要面对洗涤和揉搓的问题，根据复旦大学在介绍这个项目时的官方解读，彭慧胜教授团队的纤维锂离子电池在重复水洗、挤压等严苛环境下也可以保持较为稳定的电化学性能，而当弯折次数超过10万次之后，容量保持率仍大于80%。
 
第三个是容量问题，据悉，利用这种高性能纤维锂离子电池制作一件成人衬衣，充满电之后可以为手机充电约20次。
 
根据《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》论文共同第一作者、复旦大学高分子科学系博士生何纪卿表示，“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。”
 
因此可以说，彭慧胜教授团队已经解决了纤维锂离子电池的性能、安全和连续制备等问题，而要实现真正的产业生态，需要从上游材料到下游应用方案商的协作跟进，将纤维锂离子电池带入到移动充电、可穿戴设备等场景中。
 
在彭慧胜看来，目前的产业进展，相较于纤维锂离子电池可预见的市场前景而言，进展太慢了。

欧美进展也很迅速

彭慧胜之所以如此急切，原因之一是在纤维锂离子电池领域，该团队虽然取得了很多重大行业突破，但依然有竞争对手。
 
比如，2021年12月20日，美国麻省理工学院的研究人员开发出世界上最长的柔性纤维电池，相关结果发表在国际权威学术期刊《今日材料》上。
 
同时，欧盟对电子织物也非常重视，并预期未来10年会有2万亿欧元的市场。但巨大的蛋糕如何切分，现在还是未知数。