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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(duì)手機(jī)進(jìn)行無線充電，聽起來像不像科幻片的場(chǎng)景？實(shí)際上這正是科學(xué)家們的研究方向之一。9月1日，Nature主刊在線發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝團(tuán)隊(duì)在高分子纖維器件領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展。

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彭慧勝教授、陳培寧副研究員等人發(fā)現(xiàn)了纖維內(nèi)阻與長度的雙曲余切函數(shù)關(guān)系，并通過優(yōu)化的可擴(kuò)展工業(yè)流程生產(chǎn)了數(shù)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(huán)后達(dá)到90.5%，在 1C 倍率下達(dá)到 93%（vs 0.1C），可與軟包電池等商業(yè)電池相媲美。光纖彎曲 100,000 次循環(huán)后仍可保持80% 以上的容量。

可以說，衣服充電不是夢(mèng)！審稿人也評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作是“儲(chǔ)能領(lǐng)域和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑研究”和“柔性電子領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”。該研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目支持。

最新研究

近日，香港理工大學(xué)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(jí)期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表文章，報(bào)道了用柔性鋰金屬復(fù)合紗線實(shí)現(xiàn)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(dòng)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(shè)備提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)。

鄭子劍教授團(tuán)隊(duì)通過將熔融鋰（Li）快速毛細(xì)填充到金屬碳（C）紗線中，設(shè)計(jì)了一種靈活且穩(wěn)定的鋰金屬復(fù)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(xué)循環(huán)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性和耐久性。將磷酸鐵鋰 (LFP) 與LMCY負(fù)極配對(duì)產(chǎn)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(huán)的長壽命，750次充放電循環(huán)后容量保持率超過50%。此外，基于LFP||LMCY進(jìn)一步展示了手套電池，表現(xiàn)出穩(wěn)定的電力傳輸，不會(huì)被人體的自然運(yùn)動(dòng)所中斷。

圖文詳情

圖1. 鋰金屬復(fù)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(zhì)，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(xì)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(jié)構(gòu)有關(guān)，所有Cu-C纖維都嵌入鋰金屬中。最終在不到15分鐘的時(shí)間內(nèi)展示了一個(gè)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(tài)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(tài)變化產(chǎn)生了指向Ar的拉普拉斯壓力，這可以驅(qū)動(dòng)熔融Li在t₂時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎn)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(xué)性能

因?yàn)镃u-C紗線 (≈1 Ω cm^-1 ) 的線性電阻比碳質(zhì)材料（C紗線為≈20 Ω cm^-1）低得多。作為概念驗(yàn)證，作者測(cè)試了由具有不同長度（1、2、4和6厘米）的一對(duì)LMCY 制成的對(duì)稱電池的過電位，證實(shí)了LMCY的小歐姆損耗，這是由于使用了高導(dǎo)電性的Cu-C紗線。LMCY的線性容量（≈1 mAh cm^-1）遠(yuǎn)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(jìn)行了鋰的長期剝離和電鍍以評(píng)估LMCY 的電化學(xué)穩(wěn)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(wěn)定運(yùn)行超過1000小時(shí)。當(dāng)電流密度和DoD分別增加到 100 μA cm^-1和50% (≈0.5 mAh cm^-1 ) 時(shí)，LMCY在超過400小時(shí)內(nèi)仍表現(xiàn)出≈94 mV的穩(wěn)定過電位。相比之下，在相同的測(cè)試條件下，LMW比LMCY表現(xiàn)出更高的過電位和更短的循環(huán)壽命。

圖4. LMCY的靈活性

LMCY的屈服強(qiáng)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(fù)彎曲150次循環(huán)后呈現(xiàn)穩(wěn)定的過電位，而使用LMW的電池僅在幾十個(gè)彎曲循環(huán)后就表現(xiàn)出波動(dòng)。作者進(jìn)一步開發(fā)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(shè)置為一個(gè)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(dāng)受到大彎曲半徑（例如3 mm）的多次彎曲時(shí)，LMW表面出現(xiàn)大裂紋。相比之下，LMCY保持良好的結(jié)構(gòu)完整性，這可以解釋在機(jī)械耐久性測(cè)試中LMCY幾乎沒有變化的電極電導(dǎo)率和穩(wěn)定的過電位。

圖5. 線型LMBs的制備及電化學(xué)性能

作者制備了類似紗線的LFP或S正極，然后與LMCY負(fù)極配對(duì)以組裝線型LMB。在典型的線型LMB中，正負(fù)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(zhì)量負(fù)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(huán)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(wěn)定運(yùn)行超過170個(gè)循環(huán)。值得注意的是，LFP||LMCY獲得了破紀(jì)錄的292.4 Wh L^-1的體積能量密度和之前報(bào)道的線型LMB中最長的循環(huán)壽命。

此外，LFP||LMCY 可以很容易地彎曲、折疊甚至打結(jié)，同時(shí)持續(xù)為36個(gè)黃色LED供電數(shù)十分鐘。作者用棉紗編織了LFP||LMCY以創(chuàng)造出完全靈活且透氣的貼身強(qiáng)力面料，織物由六個(gè)并聯(lián)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(gè)手套手指的接縫線無縫嵌入 LFP||LMCY，作者進(jìn)一步展示了電池手套（圖5i），表現(xiàn)出穩(wěn)定的電力傳輸，不會(huì)被人體的自然運(yùn)動(dòng)所中斷，展示了其在柔性和可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)用中的強(qiáng)大能力。

通訊作者簡介

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鄭子劍，香港理工大學(xué)教授。1999-2003年清華大學(xué)化工系本科；2007年英國劍橋大學(xué)化學(xué)系及納米中心博士，研究領(lǐng)域?yàn)楦叻肿涌茖W(xué)及有機(jī)光電子學(xué)（導(dǎo)師Prof. Wilhelm T. S. Huck）；2008-2009年美國西北大學(xué)納米中心博士后，研究納米制造（導(dǎo)師Prof. Chad A. Mirkin）。2009年加入香港理工大學(xué)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(lǐng)域包括材料表界面科學(xué)，納米制造，新型柔性材料，柔性電子應(yīng)用（包括傳感器、鋰電池、太陽能電池、超級(jí)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(fā)表論110余篇，擁有國內(nèi)外專利20項(xiàng)，榮獲十多項(xiàng)國際大獎(jiǎng)。近年擔(dān)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(dāng)選（首批）香港青年科學(xué)院科學(xué)家（45歲以下香港科學(xué)家最高榮譽(yù)）。課題組主頁：https://www.polyu.edu.hk/researchgrp/zzheng/index.html

文獻(xiàn)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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