當(dāng)滿墻的爬山虎，映入復(fù)旦大學(xué)高分子系彭慧勝教授的眼中，他若有所思：爬山虎為何與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”？
他拔下來仔細(xì)察看，并帶回實(shí)驗(yàn)室探究。原來，爬山虎會分泌出一種具有良好浸潤性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結(jié)構(gòu)中，隨后液體發(fā)生聚合反應(yīng)，將爬山虎和植物藤蔓緊緊地粘在一起。
這一“插曲”為彭慧勝一直在思考的研究難題帶來了靈感。
在擁有知識產(chǎn)權(quán)的柔性纖維鋰離子電池基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)具有孔道結(jié)構(gòu)的纖維電極，讓高分子凝膠電解質(zhì)與電極“如膠似漆”，從而實(shí)現(xiàn)了高安全性、高儲能性的柔性纖維鋰離子電池規(guī)模制備。
這意味著，一件柔軟透氣的衣服、一個(gè)時(shí)尚輕便的背包，就可方便地為手機(jī)、手表等隨身電子器件供電。曾經(jīng)存在于科幻小說中的場景，正在漸漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
4月24日深夜，相關(guān)研究論文發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》主刊上。該研究在國際上率先走通了柔性纖維鋰離子電池研發(fā)的“最后一公里”，有望為人機(jī)交互、健康檢測、智能傳感等領(lǐng)域提供有效的能源解決方案。
【做沒有文獻(xiàn)報(bào)道的原創(chuàng)性研究】
這是一場歷時(shí)16年的“長途跋涉”。
傳統(tǒng)的塊狀電池由于其剛性結(jié)構(gòu)，應(yīng)用場景受到限制。2008年任教復(fù)旦大學(xué)之初，彭慧勝提出要做纖維鋰離子電池。當(dāng)時(shí)大多科學(xué)同行在研發(fā)薄膜電池，查不到任何有關(guān)纖維電池的文獻(xiàn)。“沒有文獻(xiàn)報(bào)道過的研究更有原創(chuàng)性，也更值得去做。”彭慧勝說。
經(jīng)過5年研究，2013年彭慧勝團(tuán)隊(duì)率先在國際上研制出纖維鋰離子電池。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為，纖維鋰離子電池的內(nèi)阻會隨長度增加而顯著增大，無法制造高性能纖維電池，更別說大規(guī)模應(yīng)用了。
他們依然不被看好。
又經(jīng)過8年的探索，他們發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池的內(nèi)阻并沒有隨長度的增加而增大，反而先下降后逐步趨于穩(wěn)定。這突破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)建立了世界上首條柔性纖維鋰離子電池的生產(chǎn)線。
這一成果被譽(yù)為“儲能和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑”。
【相當(dāng)于每小時(shí)生產(chǎn)的電池可同時(shí)為20部手機(jī)充電】
有了“從0到1”的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，如何變成現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力？
當(dāng)時(shí)，美國專門成立了“革命性纖維與紡織研究院”，并將其列為國家級創(chuàng)新方向；歐盟的一份戰(zhàn)略報(bào)告則預(yù)估，電子織物未來10年會有2萬億歐元的市場。
由于纖維鋰離子電池織物需穿戴在身上，對安全性要求極高，此前電池中使用易漏易燃的有機(jī)電解質(zhì)，存在安全隱患，只有使用高分子凝膠電解質(zhì)才能保證高安全性。然而，高分子凝膠電解質(zhì)難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，導(dǎo)致電池的儲能性能非常低。
如今，正是受爬山虎的啟發(fā)，彭慧勝團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了纖維鋰離子電池高安全性與高儲能性的兼而有之。
研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，建立了纖維鋰離子電池中試生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)300瓦時(shí)的產(chǎn)能，“相當(dāng)于每小時(shí)生產(chǎn)的電池可同時(shí)為20部手機(jī)充電。”論文共同第一作者之一、博士后路晨昊介紹。
他們實(shí)現(xiàn)了數(shù)千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達(dá)到128瓦時(shí)/千克，可為無人機(jī)等大功率設(shè)備供電；在經(jīng)歷10萬次彎折變形后，其容量保持率依然大于96%。
【纖維鋰離子電池的應(yīng)用場景十分廣闊】
一塊看似普通的印染藍(lán)布，可以點(diǎn)亮燈牌；一個(gè)看似平常的背包，手機(jī)放進(jìn)去可無線充電。這是因?yàn)槠渲屑闪死w維鋰離子電池。
“按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們研制的纖維鋰離子電池織物經(jīng)受100次水洗和10000次摩擦后，性能保持穩(wěn)定。”論文共同第一作者之一、博士研究生江海波介紹，他們制作的多功能消防服，在高溫火場模擬環(huán)境中，即使被磨損剪斷還能穩(wěn)定地為對講機(jī)、傳感器等消防員隨身設(shè)備供電。
由于纖維鋰離子電池織物在高低溫、真空環(huán)境以及外力破壞下仍可以安全穩(wěn)定地供電，除了消防救災(zāi)，還有望應(yīng)用于極地科考、航空航天等領(lǐng)域。
“纖維鋰離子電池的應(yīng)用場景十分廣闊，比如仿生手、軟體機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等。”論文共同第一作者之一、博士研究生程翔然說。
有了產(chǎn)品，如何將其做成商品？這是彭慧勝眼下思考最多的問題。
“目前纖維鋰離子電池的物料成本是0.5元/米左右，未來量產(chǎn)后還能更低。目前做成電池電芯的直徑是500微米，還可能做得更細(xì)。”彭慧勝呼吁與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，進(jìn)一步降低成本，早日實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池的規(guī)模應(yīng)用。
他拔下來仔細(xì)察看，并帶回實(shí)驗(yàn)室探究。原來，爬山虎會分泌出一種具有良好浸潤性的液體，該液體滲透到兩者接觸表面的孔道結(jié)構(gòu)中，隨后液體發(fā)生聚合反應(yīng)，將爬山虎和植物藤蔓緊緊地粘在一起。
這一“插曲”為彭慧勝一直在思考的研究難題帶來了靈感。
在擁有知識產(chǎn)權(quán)的柔性纖維鋰離子電池基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)具有孔道結(jié)構(gòu)的纖維電極，讓高分子凝膠電解質(zhì)與電極“如膠似漆”，從而實(shí)現(xiàn)了高安全性、高儲能性的柔性纖維鋰離子電池規(guī)模制備。
這意味著，一件柔軟透氣的衣服、一個(gè)時(shí)尚輕便的背包，就可方便地為手機(jī)、手表等隨身電子器件供電。曾經(jīng)存在于科幻小說中的場景，正在漸漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
4月24日深夜，相關(guān)研究論文發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》主刊上。該研究在國際上率先走通了柔性纖維鋰離子電池研發(fā)的“最后一公里”，有望為人機(jī)交互、健康檢測、智能傳感等領(lǐng)域提供有效的能源解決方案。
【做沒有文獻(xiàn)報(bào)道的原創(chuàng)性研究】
這是一場歷時(shí)16年的“長途跋涉”。
傳統(tǒng)的塊狀電池由于其剛性結(jié)構(gòu)，應(yīng)用場景受到限制。2008年任教復(fù)旦大學(xué)之初，彭慧勝提出要做纖維鋰離子電池。當(dāng)時(shí)大多科學(xué)同行在研發(fā)薄膜電池，查不到任何有關(guān)纖維電池的文獻(xiàn)。“沒有文獻(xiàn)報(bào)道過的研究更有原創(chuàng)性，也更值得去做。”彭慧勝說。
經(jīng)過5年研究，2013年彭慧勝團(tuán)隊(duì)率先在國際上研制出纖維鋰離子電池。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為，纖維鋰離子電池的內(nèi)阻會隨長度增加而顯著增大，無法制造高性能纖維電池，更別說大規(guī)模應(yīng)用了。
他們依然不被看好。
又經(jīng)過8年的探索，他們發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池的內(nèi)阻并沒有隨長度的增加而增大，反而先下降后逐步趨于穩(wěn)定。這突破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)建立了世界上首條柔性纖維鋰離子電池的生產(chǎn)線。
這一成果被譽(yù)為“儲能和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑”。
【相當(dāng)于每小時(shí)生產(chǎn)的電池可同時(shí)為20部手機(jī)充電】
有了“從0到1”的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，如何變成現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力？
當(dāng)時(shí)，美國專門成立了“革命性纖維與紡織研究院”，并將其列為國家級創(chuàng)新方向；歐盟的一份戰(zhàn)略報(bào)告則預(yù)估，電子織物未來10年會有2萬億歐元的市場。
由于纖維鋰離子電池織物需穿戴在身上，對安全性要求極高，此前電池中使用易漏易燃的有機(jī)電解質(zhì)，存在安全隱患，只有使用高分子凝膠電解質(zhì)才能保證高安全性。然而，高分子凝膠電解質(zhì)難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，導(dǎo)致電池的儲能性能非常低。
如今，正是受爬山虎的啟發(fā)，彭慧勝團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了纖維鋰離子電池高安全性與高儲能性的兼而有之。
研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，建立了纖維鋰離子電池中試生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)300瓦時(shí)的產(chǎn)能，“相當(dāng)于每小時(shí)生產(chǎn)的電池可同時(shí)為20部手機(jī)充電。”論文共同第一作者之一、博士后路晨昊介紹。
他們實(shí)現(xiàn)了數(shù)千米長度纖維鋰離子電池的制備，其能量密度達(dá)到128瓦時(shí)/千克，可為無人機(jī)等大功率設(shè)備供電；在經(jīng)歷10萬次彎折變形后，其容量保持率依然大于96%。
【纖維鋰離子電池的應(yīng)用場景十分廣闊】
一塊看似普通的印染藍(lán)布，可以點(diǎn)亮燈牌；一個(gè)看似平常的背包，手機(jī)放進(jìn)去可無線充電。這是因?yàn)槠渲屑闪死w維鋰離子電池。
“按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們研制的纖維鋰離子電池織物經(jīng)受100次水洗和10000次摩擦后，性能保持穩(wěn)定。”論文共同第一作者之一、博士研究生江海波介紹，他們制作的多功能消防服，在高溫火場模擬環(huán)境中，即使被磨損剪斷還能穩(wěn)定地為對講機(jī)、傳感器等消防員隨身設(shè)備供電。
由于纖維鋰離子電池織物在高低溫、真空環(huán)境以及外力破壞下仍可以安全穩(wěn)定地供電，除了消防救災(zāi)，還有望應(yīng)用于極地科考、航空航天等領(lǐng)域。
“纖維鋰離子電池的應(yīng)用場景十分廣闊，比如仿生手、軟體機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等。”論文共同第一作者之一、博士研究生程翔然說。
有了產(chǎn)品，如何將其做成商品？這是彭慧勝眼下思考最多的問題。
“目前纖維鋰離子電池的物料成本是0.5元/米左右，未來量產(chǎn)后還能更低。目前做成電池電芯的直徑是500微米，還可能做得更細(xì)。”彭慧勝呼吁與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，進(jìn)一步降低成本，早日實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池的規(guī)模應(yīng)用。
