复旦大学彭慧胜、王兵杰团队最新 Nature Nanotechnology：采用溶液-挤出法工业化生产纤维电池

[背景介绍]

纤维及纺织品是人类社会必不可少的构成元素，将能量储存功能引入到纤维中，并将其织造成可使用的纺织品，可作为可穿戴和便携电子设备的供能解决方案。将纤维状电池编织成柔软、透气的织物电池，像普通衣物一样穿着在身上，为各种电子设备供电，有望彻底解决“电量焦虑”。然而，受限于现有的制备、生产方式，纤维电池的规模化、连续化制备很难实现，无法满足实际应用要求。

[成果简介]

复旦大学彭慧胜、王兵杰团队成功将纤维聚合物储能电池的制备和纤维制造业中经典的湿法纺丝方法进行融合，首次提出纤维电池的一体化连续构建新路线，实现了多种纤维电池的规模化制备。本工作通过电池活性材料的筛选配制，活性物质浆料流体行为优化，以及对核心部件喷丝板内部腔道的重新设计，实现了纤维电池在高生产速率下的连续化制备，且所得到的纤维电池内部各功能组分间具有良好的界面稳定性。研究团队不仅成功实现了一系列千米级纤维电池的规模化生产，也为其他功能性纤维器件的规模化制备提供了实验及理论支持。相关论文以题为：“Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method”发表在Nature Nanotechnology上。

[图文解析]

纤维电池的挤出工艺及结构表征

本工作通过借鉴传统溶液纺丝技术，提出了纤维电池一体化连续构建的设想，通过将聚合物储能电池中的各功能组分首先制备为纺丝浆料，然后通过将多种活性物质浆料共同挤出，实现纤维聚合物电池的规模化制备(图1a)。挤出的纤维电池经过凝固浴、牵伸、烘干等标准化步骤后可连续化收丝得到成卷的纤维电池产品(图1b-d)。由于溶液挤出方法不需要苛刻的生产条件如真空或高温，因此适用于大规模、高效率的生产，并可用于多种纤维电池的制造。通过该方法得到的纤维电池与通过传统工艺制备的同类电池具有相近的电化学性能，验证了该方法可行性。在凝固浴步骤中，正、负极纤维可通过凝胶电解质中的去质子化反应快速凝固成型，形成完整的纤维电池结构(图1a)。100 m长挤压纤维电池的光学显微镜图像显示，正、负极活性物质及凝胶电解质在径向(图1e)和轴向上均分布均匀。

图1. 纤维电池的挤出工艺及结构表征©2022 Springer Nature

纤维电池的性能表征

通过溶液纺丝法制备的纤维电池由内部平行的正、负极纤维，以及外部的凝胶电解质构成(图2a)。纤维水系锂离子电池(FLIBs)具有1.3 V左右的放电平台，86 mAh/g的比容量，以及较高的循环稳定性 (图2b)。通过挤出浆料中活性物质的筛选与替换，本工作提出的制备方法具有一定的普适性，比如，采用二氧化锰 和锌粉作为活性物质分别制备正、负极浆料，通过溶液纺丝法即可制备水系纤维锌锰电池(图2c)。类似地，采用水系钠离子电池的正、负极活性物质分别制备正、负极浆料，也可以实现水系纤维钠离子电池的连续化构建(图2d)。溶液挤出成型方法为大规模生产纤维电池及其产业化应用铺平了道路。通过该方法得到的纤维电池具有高柔性，10000次弯曲后电化学性能和力学性能都可较好保持。此外，通过溶液纺丝制备流程步骤参数的调整，可制备从微米到毫米一系列不同直径的纤维电池 以适应各种应用的要求。通过溶液纺丝浆料制备中的功能活性物质调控，以及制备工艺的优化，该策略有望助力一系列纤维器件,如超级电容器，发光器件和传感器等的规模化制备(图2g)。

图2. 连续溶液挤出法生产水系锂离子、锌锰和钠离子纤维电池©2022 Springer Nature

由FLIBs制成的储能织物的应用

溶液纺丝法连续化制备的纤维电池可直接通过商用纺织机(图3a)编织为大面积(10m²)的储能织物(图3b)。得益于所采用的水系凝胶电解质，所制备的储能织物具有较高的安全性，可耐受高温、刺穿而避免安全隐患(图3c)。类似地，织物电池在常见的使用场景中，如浸泡、载重、洗涤及撞击等，都能保持较高的电化学稳定性。将可规模化制备的纤维电池作为储能平台，可与一系列具有其他功能的纤维电子器件如纤维太阳能电池、发光纤维等集成，在柔性织物结构中同时实现能量收集、储存和对电子器件的供能 (图3d-f)。作为概念的证明，研究团队制作了一个帐篷，其中外层由太阳能电池织物组成，内层由储能织物组成(图3f,g)。该帐篷可以在白天通过外层太阳能电池收集太阳能，储存在帐篷内层电池织物中，随时为帐篷内的用电器如柔性显示器供电 (图3g)。

图3. 由FLIBs制成的储能织物的应用©2022 Springer Nature

[结论与展望]

本工作发展了一种高效且具有普适性的溶液挤出方法，以规模化、连续化的制备纤维电池。通过该方法制备得到的柔性电池织物具有稳定、耐用、安全的优点。该制备方法有望推动一系列纤维电子器件的高效、规模化应用。

第一作者：廖萌、王闯、洪扬

通讯作者：彭慧胜、王兵杰

通讯单位：复旦大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01062-4