如何快速和規(guī)模化制備纖維聚合物儲能電池，是智能纖維領(lǐng)域長久面臨的一個瓶頸難題。近日，復(fù)旦大學(xué)教授彭慧勝、王兵杰團(tuán)隊成功將纖維聚合物儲能電池的制備和經(jīng)典濕法紡絲融合，在國際上率先提出纖維電池的規(guī)模化生產(chǎn)路線，實(shí)現(xiàn)了一系列千米級纖維電池的快速連續(xù)構(gòu)建。相關(guān)成果已在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》。
在過去的研究中，人們借鑒平面電池的涂覆方法制備纖維電池，其工藝復(fù)雜且效率偏低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的需要。
2013年，彭慧勝團(tuán)隊提出并實(shí)現(xiàn)了柔性纖維電池，此后一直致力于開發(fā)高安全性的纖維聚合物儲能電池，相關(guān)工作引起國際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。
在多年探索中，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出一體化連續(xù)構(gòu)建纖維電池的新設(shè)想，將聚合物儲能電池中的各功能組分制備為紡絲漿料，然后通過將多種活性物質(zhì)漿料共同擠出成型，實(shí)現(xiàn)纖維聚合物儲能電池的連續(xù)制備。
“濕法紡絲路線的難點(diǎn)在于，在極其精細(xì)、柔軟的纖維結(jié)構(gòu)中，如何保持電池各功能組分間的界面穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)電化學(xué)活性。”彭慧勝告訴《中國科學(xué)報》。
為此，研究團(tuán)隊對電池活性材料配制及漿料流體性質(zhì)進(jìn)行了大量的篩選實(shí)驗，并基于預(yù)實(shí)驗數(shù)據(jù)庫，對核心部件噴絲板內(nèi)部腔道進(jìn)行了重新設(shè)計。結(jié)果表明，即使在高生產(chǎn)速率下連續(xù)制備，所得到的纖維電池內(nèi)部各功能組分也具有良好的界面穩(wěn)定性，從而表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。
在此基礎(chǔ)上，研究人員揭示了纖維電池一體化成型過程中，聚合物基體與其他功能組分間的相互作用機(jī)制，建立了不同功能組分分結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律。最終，團(tuán)隊不僅實(shí)現(xiàn)了一系列千米級纖維電池的規(guī)模化生產(chǎn)，還為其他功能性纖維器件的規(guī)模化制備提供了理論和實(shí)驗支持。
“相較于通過傳統(tǒng)涂覆方法制備的纖維儲能電池，通過聚合物濕法‘紡絲’大規(guī)模、一步法制備的纖維電池更細(xì)、更柔，也更接近日常用于紡織的高分子化學(xué)纖維。”彭慧勝說，“將通過該方法制備的纖維聚合物儲能電池進(jìn)行梭織，可以得到輕薄、透氣、大面積的“電池織物”，為纖維聚合物儲能電池的規(guī)模化應(yīng)用提供了可能。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-021-01062-4
