入選“中國科學年度十大進展”，這項技術(shù)將顛覆移動充電寶產(chǎn)業(yè)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）由于續(xù)航焦慮，智能手機一方面在積極推動充電效率、用電效率和電池容量的提升，同時也對移動電源應用有著巨大的帶動作用。根據(jù)QYResearch發(fā)布的《2021-2027全球與中國移動電源市場現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢》，2020年全球移動電源市場規(guī)模達到了41.38億美元，預計2027年將達到60.71億美元，年復合增長率（CAGR）為5.40。

然而，隨著技術(shù)的進步，面向消費類應用的移動電源，比如用于智能手機和筆記本電腦充電的移動電源，或許會逐漸突破我們所熟知的塊狀充電寶形象，進一步融入到人們的生活之中。

近日，復旦大學先進材料實驗室和高分子科學系彭慧勝教授團隊的研究成果入選2021年度“中國科學十大進展”引發(fā)行業(yè)關(guān)注。該團隊提出了一種“高性能纖維鋰電池的構(gòu)建方法”，在年初時段，相繼入選了2021年度“中國半導體十大研究進展”以及“中國科學十大進展”。

十年磨一劍

“中國科學十大進展”是由科技部基礎研究管理中心等部門組織開展，涵蓋自然科學所有領域的重要進展，是我國基礎研究傳播工作的品牌項目?！爸袊茖W十大進展”的項目推薦由數(shù)家國內(nèi)科學技術(shù)領域頭部報刊編輯部完成，評選則由兩院院士、973計劃顧問組和咨詢組專家、973計劃項目首席科學家、國家重點實驗室主任等專家學者完成，因此含金量和社會認可度極高。

入選第17屆“中國科學十大進展”的項目還包括天問一號探測器、中國空間站天和核心艙、可編程二維62比特超導處理器等。因此，能夠入選彰顯了彭慧勝教授團隊研究項目的技術(shù)領先性。

據(jù)介紹，彭慧勝教授團隊的項目全稱為“實現(xiàn)高性能纖維鋰離子電池規(guī)?；苽洹?，重點發(fā)現(xiàn)了纖維鋰離子電池內(nèi)阻與長度之間的雙曲余切函數(shù)關(guān)系，有效解決了活性材料和纖維電極界面穩(wěn)定性難題，連續(xù)構(gòu)建出兼具高安全性和高性能的新型纖維聚合物鋰離子電池。

可穿戴電池織物示意圖，圖源：復旦大學

根據(jù)相關(guān)報道，彭慧勝教授團隊自2008年開始從事新型柔性電池系的研究，2013年率先在國際上提出并實現(xiàn)了新型纖維鋰離子電池。

能夠研發(fā)出新型纖維鋰離子電池的規(guī)模制備方法，也要歸功于彭慧勝教授團隊對導電纖維的深刻理解。該團隊于2009年提出聚丁二炔與取向碳納米管復合以制備新型電致變色纖維的研究思路，并一直研究至今。2021年3月，彭慧勝教授團隊的全柔性織物顯示系統(tǒng)成果登上了《自然》雜志，被審稿人評價為“創(chuàng)造了重要而有價值的新知識”。

圖源：《自然》雜志

在織物顯示方面，根據(jù)彭慧勝的介紹，該團隊通過涂覆有發(fā)光材料的導電紗線和透明導電纖維交錯組成獨特的搭接結(jié)構(gòu)，施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復合發(fā)光活性層在搭接點區(qū)域被電場激發(fā)，就形成一個個發(fā)光像素點。利用工業(yè)化編織設備，實現(xiàn)了長6米、寬0.25米、含約50萬個發(fā)光點的發(fā)光織物，發(fā)光點之間最小的間距為0.8毫米。

兩項研究可謂相輔相成，助力該團隊在纖維鋰離子電池方面實現(xiàn)進一步的突破。據(jù)介紹，長度為1米的纖維聚合物鋰離子電池就可為智能手機、手環(huán)心率監(jiān)測儀等可穿戴電子設備長時間連續(xù)有效供電。而通過紡織的技術(shù)，將能夠制造出大面積的纖維聚合物鋰離子電池。

彭慧勝指出：“一件由纖維鋰離子電池織造的成人襯衣，相當于一個移動充電寶，一次充滿可以給智能手機充電約20次?！?br />
2021年9月1日，彭慧勝教授團隊的相關(guān)研究成果以《高性能纖維鋰離子電池的規(guī)?；瘶?gòu)建》發(fā)表在了《自然》雜志的主刊上。

據(jù)報道，彭慧勝教授團隊經(jīng)過8年的持續(xù)探索后發(fā)現(xiàn)，纖維鋰離子電池的內(nèi)阻并非隨著長度一直線性增加，反而先下降后逐步趨于穩(wěn)定。這是一項重大的研究發(fā)現(xiàn)，在此之前，國際上纖維鋰離子電池長度是厘米級的，并且能量密度低，不足以構(gòu)建規(guī)模應用。

在清晰理解纖維鋰離子電池內(nèi)阻和長度之間的獨特關(guān)系之后，彭慧勝教授團隊實現(xiàn)纖維鋰離子電池的連續(xù)化構(gòu)建，讓其能像普通毛線一樣，可以用來織成一件毛衣。

在制備方法上，涂覆方式是實現(xiàn)高效負載纖維鋰離子電池活性材料連續(xù)制備的主要方式，但并不是借助傳統(tǒng)的平面涂覆，過程中產(chǎn)生的串珠等涂覆不均勻現(xiàn)象會嚴重影響纖維電極制備的連續(xù)性和電池的電化學性能。

該團隊通過調(diào)控正負極活性材料組分和粘附力，有效解決了聚合物復合活性材料與導電纖維集流體的界面穩(wěn)定性難題。根據(jù)彭慧勝的描述，“過去，在實驗室做一件基于纖維鋰離子電池的襯衣，成本是一個天文數(shù)字，現(xiàn)在我們把成本降低到了幾百上千元，未來隨著規(guī)?；€將進一步降低?！?/p>

呼吁產(chǎn)業(yè)鏈合作跟進

據(jù)彭慧勝在接受采訪時表示，最開始該團隊是想打造纖維太陽能電池，不過產(chǎn)生的電能如何儲存是一個難題，因此該團隊才開始研發(fā)纖維鋰離子電池。

在使用問題上，纖維鋰離子電池要面對的第一個問題是安全問題，畢竟充放電是化學反應，過往移動充電寶就經(jīng)常發(fā)生意外。彭慧勝針對這個問題說到，該團隊的成果非常安全，并且對敏感肌膚很友好。

第二個問題是耐用度的問題，織物必然要面對洗滌和揉搓的問題，根據(jù)復旦大學在介紹這個項目時的官方解讀，彭慧勝教授團隊的纖維鋰離子電池在重復水洗、擠壓等嚴苛環(huán)境下也可以保持較為穩(wěn)定的電化學性能，而當彎折次數(shù)超過10萬次之后，容量保持率仍大于80%。

第三個是容量問題，據(jù)悉，利用這種高性能纖維鋰離子電池制作一件成人襯衣，充滿電之后可以為手機充電約20次。

根據(jù)《高性能纖維鋰離子電池的規(guī)?；瘶?gòu)建》論文共同第一作者、復旦大學高分子科學系博士生何紀卿表示，“如果將電池織物和無線充電發(fā)射裝置集成，可安全、穩(wěn)定地為智能手機進行無線充電。”

因此可以說，彭慧勝教授團隊已經(jīng)解決了纖維鋰離子電池的性能、安全和連續(xù)制備等問題，而要實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，需要從上游材料到下游應用方案商的協(xié)作跟進，將纖維鋰離子電池帶入到移動充電、可穿戴設備等場景中。

在彭慧勝看來，目前的產(chǎn)業(yè)進展，相較于纖維鋰離子電池可預見的市場前景而言，進展太慢了。

歐美進展也很迅速

彭慧勝之所以如此急切，原因之一是在纖維鋰離子電池領域，該團隊雖然取得了很多重大行業(yè)突破，但依然有競爭對手。

比如，2021年12月20日，美國麻省理工學院的研究人員開發(fā)出世界上最長的柔性纖維電池，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《今日材料》上。

同時，歐盟對電子織物也非常重視，并預期未來10年會有2萬億歐元的市場。但巨大的蛋糕如何切分，現(xiàn)在還是未知數(shù)。