摘要
关键词
- 纤维电池 (Fibre battery)
- 聚合物凝胶电解质 (Polymer gel electrolyte)
- 电化学性能 (Electrochemical performance)
- 可穿戴能源 (Wearable energy)
- 柔性电子设备 (Flexible electronics)
- 高能量密度 (High energy density)
研究背景
随着可穿戴设备和柔性电子产品的快速发展，对高安全性、高能量密度的柔性能源需求日益增加。传统液态电解质的纤维电池存在漏液和安全隐患，且界面稳定性差。相比之下，聚合物凝胶电解质提供了更高的安全性和灵活性，但其界面润湿性差，导致电化学性能受限。本文通过优化电极几何结构和电解质界面相容性，提出了一种兼具高性能与高安全性的纤维电池设计方案，为可穿戴能源技术的工业化应用提供了全新思路。
创新点
- 通过对齐通道和网络化通道结构设计，实现聚合物凝胶电解质在纤维电池中的高效润湿和稳定界面。
- 实现了128 Wh/kg的高能量密度，显著优于现有纤维电池。
- 工业化生产千米级纤维电池，并将其成功应用于消防服和航天装备。
- 展示了纤维电池在极端环境（−40°C至80°C和真空条件）下的稳定性和可靠性。
研究内容
本文开发了一种新型纤维电池设计策略，通过对电极进行几何结构优化，构建对齐通道和网络化通道，以实现聚合物凝胶电解质的高效润湿和界面稳定。电极制备过程中，活性颗粒分布于纤维集流体上，形成内小外大的网络化通道结构，以降低界面电阻并提高电池容量。在对齐通道中，聚合物单体溶液通过快速浸润进入网络化通道，随后聚合形成凝胶电解质。所得纤维电池在0.1C倍率下容量达到170 mAh/g，能量密度为128 Wh/kg。进一步测试表明，纤维电池在弯折、拉伸及扭转10万次循环后，电阻变化不超过10%。此外，将30米纤维电池编织成50×30 cm的纺织品，输出容量达2975 mAh，并在−40°C至80°C的温度范围内保持高性能。
(a) 基于聚合物凝胶电解质的FLB制备过程示意图。活性颗粒首先沉积在纤维电流收集体上，形成网络化通道，制备阴极和阳极纤维。随后，多个阴极和阳极纤维被旋转在一起，形成它们之间的对齐通道。单体溶液沿着电极纤维之间的对齐通道渗透，然后进入其表面的网络化通道，接着进行聚合和封装以生产FLB。
(b) 单体溶液通过对齐通道渗透到阴极和阳极纤维上的过程。
(c) 单体溶液依次渗透到网络化的大和小通道中，随后聚合形成聚合物凝胶电解质。
(a, b) FLB的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像（a）和能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图（b）。在纤维之间形成了对齐通道。
(c, d) 阴极纤维的横截面SEM图像（c）和EDS元素分布图（d），其中包含内层的小颗粒和外层的大颗粒。
(e, f) LiCoO₂颗粒的SEM图像（e）和EDS元素分布图（f），展示了颗粒之间形成的网络化的内小通道和外大通道。
(g-i) 在未充电状态（3.0 V，g）、半充电状态（3.9 V，h）和完全充电状态（4.4 V，i）下，FLB中凝胶电解质和LiCoO₂颗粒的拉曼映射图。
(j, k) FLB在-40°C（j）和80°C（k）存储1小时后，凝胶电解质和LiCoO₂颗粒的拉曼映射图。
(l) 凝胶电解质–LiCoO₂颗粒界面的放大图。
(m) 在3.0 V、3.9 V和4.4 V的LiCoO₂颗粒和凝胶电解质的拉曼位移。LiCoO₂在486 cm⁻¹和587 cm⁻¹的特征峰在不同充电状态下发生变化。
(n) FLB在弯曲（弯曲半径为1 cm）、扭转（扭转角度为2°）和拉伸（拉伸比为1%）后的电阻变化。变形10万次后电阻变化不超过10%。R₀和R分别对应变形前后的电阻。误差条表示三个样本结果的标准偏差。a.u.，任意单位。比例尺：200 μm（a, b）；50 μm（c, d）；20 μm（e, f）；3 μm（g-k）；1 μm（l）。
(a) 显示连续FLB线轴的照片。
(b) FLB的容量随生产速率的增加保持稳定。C₀和C分别对应在慢速生产速率（1 cm s⁻¹）和更高生产速率下的容量。误差条表示三个样本结果的标准偏差。
(c) 能量输出随FLB长度的增加呈线性增长。误差条表示三个样本结果的标准偏差。
(d-g) 20个FLB的容量（d）、电阻（e）、初始库伦效率（f）和中点电压（g）的分布。所有结果都表现出窄分布。
(h) FLB在充放电循环中的容量保持率（红色曲线）和库伦效率（蓝色曲线）。即使经过1,000次循环，容量保持率和库伦效率仍然很高。
(i) 第1次、第500次和第1,000次循环的充放电曲线。
(j) 在弯曲后的比容量和中点电压。经过10万次循环后容量保持率超过96%。误差条表示三个样本结果的标准偏差。
(k) FLB的能量和功率密度与以往研究对比。能量和功率密度均基于FLB的总重量计算。CE，库伦效率；Cap.，容量；Spec. cap.，比容量。比例尺：5 cm（a）。
(a) 一种集成了FLB织物的多功能消防服照片，为电子设备供电。
(b) 在80°C下的不同严苛条件下，FLB的红外热图像和电压–时间曲线。FLB织物以1C速率稳定放电。
(c) 使用凝胶和液体电解质的织物点燃照片对比。
(d) 消防服靠近火源时的温度和有害气体浓度随距离变化曲线。
(e) 在透明真空腔室中点亮发光装置时，FLB织物的照片（低倍和高倍）。测试FLB在真空腔室中的稳定性，织物被切断。
(f) 在-0.08 MPa真空下，含凝胶和液体电解质的FLB织物的循环性能。
(g) FLB织物在紫外线下点亮发光装置的照片。
(h) FLB织物在-40°C下点亮发光装置的照片。
(i) FLB织物在-40°C下放电的电压–时间曲线。
(j) FLB织物为加热服供电时的红外热成像。加热服加热区域的温度接近60°C。
(k) FLB织物为加热服供电时的电压–时间曲线。Temp.，温度；Cap.，容量。比例尺：5 cm（b）；3 cm（e, g, h）。
结论与展望
本文提出了一种基于能级工程的普适理论模型，用于调控有机材料的持久发光性能，揭示了陷阱深度与发光颜色之间的关系。研究表明，该类材料不仅在光激发下表现出优异的持久发光性能，还可通过电激励实现可控发光，为有机发光材料在信息存储、医疗标记和光电器件中的应用提供了新的可能性。未来的研究方向包括优化材料性能和拓展其在工业中的实际应用。
论文直达
原文标题：High-performance fibre battery with polymer gel electrolyte
Nature 2024, 629, 86–91.
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