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Nature研究

如果說出門不用帶充電寶，僅通過身上穿的衣服就可以對手機進行無線充電，聽起來像不像科幻片的場景？實際上這正是科學家們的研究方向之一。9月1日，Nature主刊在線發表了復旦大學高分子科學系彭慧勝團隊在高分子纖維器件領域取得的最新進展。

彭慧勝教授、陳培寧副研究員等人發現了纖維內阻與長度的雙曲余切函數關系，并通過優化的可擴展工業流程生產了數米的高性能纖維鋰離子電池。能量密度為85.69 Wh/kg，其容量保持率在500次充放電循環后達到90.5%，在 1C 倍率下達到 93%（vs 0.1C），可與軟包電池等商業電池相媲美。光纖彎曲 100,000 次循環后仍可保持80% 以上的容量。

可以說，衣服充電不是夢！審稿人也評價這項工作是“儲能領域和可穿戴技術領域的里程碑研究”和“柔性電子領域的一個里程碑”。該研究得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目支持。

最新研究

近日，香港理工大學鄭子劍教授等人以“Realizing High-Energy and Stable Wire-Type Batteries with Flexible Lithium-Metal Composite Yarns”為題在國際頂級期刊Advanced Energy Materials上發表文章，報道了用柔性鋰金屬復合紗線實現的高能線型電池，這些高性能的線型電池可以無縫集成到貼身動力織物中，提供高透氣性和透濕性，確保佩戴舒適，并為電子設備提供穩定的能量供應。

鄭子劍教授團隊通過將熔融鋰（Li）快速毛細填充到金屬碳（C）紗線中，設計了一種靈活且穩定的鋰金屬復合紗線（LMCY），用于制造高能量密度和持久的線型鋰金屬電池（LMB）。LMCY顯示出出色的電化學循環穩定性、機械強度、柔韌性和耐久性。將磷酸鐵鋰 (LFP) 與LMCY負極配對產生可折疊的LFP||Li 全電池，可提供超過290 Wh L^-1的高能量密度和超過800次循環的長壽命，750次充放電循環后容量保持率超過50%。此外，基于LFP||LMCY進一步展示了手套電池，表現出穩定的電力傳輸，不會被人體的自然運動所中斷。

圖文詳情

圖1. 鋰金屬復合紗線（LMCY）的制備和表征

LMCY 是通過將熔融鋰注入柔性親鋰Cu-C紗線制造的。≈120°的大接觸角表明C紗線的疏鋰性質，相比之下Cu 基底上約30°的小接觸角表明良好的親鋰性。通過聚合物輔助金屬沉積 (PAMD) 的方法在C紗線上涂覆Cu，熔融Li一旦接觸就可以很容易地潤濕Cu-C紗線，并由于巨大的毛細管力而迅速注入紗線中以形成 LMCY。熔融的鋰填充了相鄰Cu-C纖維之間的間隙，所得的LMCY與Cu-C紗線的幾何結構有關，所有Cu-C纖維都嵌入鋰金屬中。最終在不到15分鐘的時間內展示了一個10米長的LMCY，具有顯著的靈活性。

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圖2. 灌注過程的模擬研究

圖2顯示了不同基底上（Cu-C紗線、Li₂O-C紗線和C紗線）熔融鋰和氬氣（Ar）氣氛之間界面的形態演變，紗線由直徑為10 μm和間隙為5 μm的多根平行纖維組成。在Cu-C紗線上，熔融Li沿著纖維蠕變，并使Li/Ar的平坦界面在t₁變形為凹彎月面，理想情況下的曲率半徑為r。Li/Ar界面的形態變化產生了指向Ar的拉普拉斯壓力，這可以驅動熔融Li在t₂時注入到相鄰的Cu-C 纖維的間隙中。相比之下，Li₂O-C纖維中的彎月面顯示出比Cu-C纖維更大的r，因此灌注速度更慢，這與實驗結果一致。由于C的疏鋰性，Li/Ar在原始C纖維上的界面顯示出凸彎月面。Li/Ar 界面變形產生的拉普拉斯壓力指向熔融鋰，這阻止了熔融鋰注入C紗線。

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圖3. LMCY 的電化學性能

因為Cu-C紗線 (≈1 Ω cm^-1 ) 的線性電阻比碳質材料（C紗線為≈20 Ω cm^-1）低得多。作為概念驗證，作者測試了由具有不同長度（1、2、4和6厘米）的一對LMCY 制成的對稱電池的過電位，證實了LMCY的小歐姆損耗，這是由于使用了高導電性的Cu-C紗線。LMCY的線性容量（≈1 mAh cm^-1）遠高于使用CuO-C作為主體的LMW（≈0.8 mAh cm^-1）。在不同的電流密度和放電深度（DoDs）下進行了鋰的長期剝離和電鍍以評估LMCY 的電化學穩定性，LMCY可以在50 μA cm^-1的電流密度和10% (≈0.1 mAh cm^-1 )的DoD下穩定運行超過1000小時。當電流密度和DoD分別增加到 100 μA cm^-1和50% (≈0.5 mAh cm^-1 ) 時，LMCY在超過400小時內仍表現出≈94 mV的穩定過電位。相比之下，在相同的測試條件下，LMW比LMCY表現出更高的過電位和更短的循環壽命。

圖4. LMCY的靈活性

LMCY的屈服強度（≈9 MPa）比LMW高得多，這使得LMCY不太可能斷裂。使用LMCY的電池在以1毫米的彎曲半徑反復彎曲150次循環后呈現穩定的過電位，而使用LMW的電池僅在幾十個彎曲循環后就表現出波動。作者進一步開發了有限元 (FE) 分析，以研究 LMCY和LMW之間靈活性的顯著差異。LMW被設置為一個Li圓柱體，而LMCY由Cu-C纖維組成，這些纖維嵌入相同大小的Li 圓柱體中。當受到大彎曲半徑（例如3 mm）的多次彎曲時，LMW表面出現大裂紋。相比之下，LMCY保持良好的結構完整性，這可以解釋在機械耐久性測試中LMCY幾乎沒有變化的電極電導率和穩定的過電位。

圖5. 線型LMBs的制備及電化學性能

作者制備了類似紗線的LFP或S正極，然后與LMCY負極配對以組裝線型LMB。在典型的線型LMB中，正負極平行排列，由聚丙烯隔膜隔離并封裝在聚烯烴管中。在≈0.25 mg cm^-1的質量負載和25 μA cm^-1 (≈0.5 C)的電流密度下，LFP||LMCY提供≈150 mAh g^-1的初始比容量，在400和784次循環后容量保持率分別76 % 和50%。即使在100 μA cm^-1的高電流密度下，電池仍保留了68.3 μAh cm^-1的線性容量，并穩定運行超過170個循環。值得注意的是，LFP||LMCY獲得了破紀錄的292.4 Wh L^-1的體積能量密度和之前報道的線型LMB中最長的循環壽命。

此外，LFP||LMCY 可以很容易地彎曲、折疊甚至打結，同時持續為36個黃色LED供電數十分鐘。作者用棉紗編織了LFP||LMCY以創造出完全靈活且透氣的貼身強力面料，織物由六個并聯連接的LFP||LMCY電池組成，可提供≈1 mAh cm^-2的面積容量。通過沿著每個手套手指的接縫線無縫嵌入 LFP||LMCY，作者進一步展示了電池手套（圖5i），表現出穩定的電力傳輸，不會被人體的自然運動所中斷，展示了其在柔性和可穿戴電子產品應用中的強大能力。

通訊作者簡介

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鄭子劍，香港理工大學教授。1999-2003年清華大學化工系本科；2007年英國劍橋大學化學系及納米中心博士，研究領域為高分子科學及有機光電子學（導師Prof. Wilhelm T. S. Huck）；2008-2009年美國西北大學納米中心博士后，研究納米制造（導師Prof. Chad A. Mirkin）。2009年加入香港理工大學任助理教授，2013年破格晉升為終身副教授，2017年再次破格晉升為正教授。

鄭教授的研究領域包括材料表界面科學，納米制造，新型柔性材料，柔性電子應用（包括傳感器、鋰電池、太陽能電池、超級電容器等），其研究成果在Science，Nature Communications，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，JACS，Angewandte Chemie等高影響因子期刊上發表論110余篇，擁有國內外專利20項，榮獲十多項國際大獎。近年擔任Wiley新旗艦期刊EcoMat主編，Advanced Materials和Small的客座編輯，Advanced Energy Materials編委，并當選（首批）香港青年科學院科學家（45歲以下香港科學家最高榮譽）。課題組主頁：https://www.polyu.edu.hk/researchgrp/zzheng/index.html

文獻信息

Realizing High-Energy and Stable Wire-Type Batteries with Flexible Lithium-Metal Composite Yarns, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101809

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101809

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