复旦大学彭慧胜/陈培宁今年第3篇Nature:高能纤维锂电,弯曲100000次性能依然亮眼!

复旦大学彭慧胜/陈培宁今年第3篇Nature:高能纤维锂电,弯曲100000次性能依然亮眼!


复旦大学彭慧胜/陈培宁今年第3篇Nature:高能纤维锂电,弯曲100000次性能依然亮眼!第一作者:Jiqing He
通讯作者:陈培宁彭慧胜
通讯单位:复旦大学

今年3月10日和5月7日,复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员等人在Nature上相继发表了题为“Large-area display textiles integrated with functional systems” 和“Making large-scale, functional, electronic textiles”2篇文章——开发了一种基于经纬编织工艺,大面积制备织物显示器的方法。

在这项工作中,复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员等人采用全新的材料设计方案,报告了一种6m长,25cm宽的显示器纺织品,包含5×105个电致发光单元,间隔约800微米。导电纬线和发光经线纤维在纬线-经线接触点形成微米级的电致发光单元。即使纺织品弯曲,拉伸或压制时,电致发光单元之间的亮度偏差也小于8%,并保持稳定。同时,本文展示纺织品柔软而透气,可以承受反复的机洗,非常适合实际应用。此外,作者展示了由显示器,键盘和电源组成的集成纺织品系统可以用作通信工具,证明了该系统在包括医疗保健在内的各个领域的“物联网”中的潜力,从而将纺织品的电子设备的制造和功能统一在一起。
复旦大学彭慧胜/陈培宁今年第3篇Nature:高能纤维锂电,弯曲100000次性能依然亮眼!

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今日,该课题组再次发表Nature,展示了一项锂离子纤维电池的研究成果:1)作者发现这种纤维锂离子电池的内阻与纤维长度具有双曲余切函数关系,随着长度的增加,内阻首先下降,然后趋于平稳。2)实现通过可扩展工业流程生产数米的高性能纤维锂离子电池。钴酸锂/石墨纤维电池的能量密度为85.69 Wh/kg,在500次充放电循环后其容量保持率达到90.5%,在1C倍率下达到93%,可与软包电池等商业电池相媲美。弯曲100000次循环后仍可保持80%以上的容量。

【主要内容】
为了使纺织电池在便携式和可穿戴电子产品中得到广泛应用,人们必须能够批量生产柔性、安全和可清洗的纤维电池线轴。一个主流方向是制造直径为数十至数百微米的纤维锂离子电池,以便将它们编织成具有足够容量的可穿戴透气纺织品,以满足各种可穿戴电子产品的电力需求。过去十年中研究人员的广泛努力已经探索了制造具有越来越好的电化学性能的纤维锂离子电池的方法。然而,迄今为止获得的纤维只有几厘米长,导致整个电池具有低能量密度 (<1 Wh/kg)。如此短的纤维锂离子电池是不切实际的,因为连接它们的附件会损害纤维的能量密度和稳定性;例如,水/氧气侵入、电解液泄漏和机械故障都可能发生在这些连接处。大规模生产长纤维锂离子电池同时保持高性能和纤维长度仍然是一个未满足的需求。

鉴于此,作者通过手动将钴酸锂正极和隔膜包裹的纤维负极扭在一起制造了不同长度(0.1 m、0.2 m、0.5 m 和 1 m)的纤维锂离子电池,并测量了它们的电化学性能。他们发现纤维锂离子电池的内阻随着长度的增加而减小,因此实际上可以生产高性能的长纤维锂离子电池通过用工业织机将纤维锂离子电池编织成大面积纺织品,生产出的纤维锂离子电池纺织品具有足够的能量来为大型电子设备供电。其生产的纤维锂离子电池每米成本略低于 0.05 美元,对于广大的消费者应用来说是经济实惠的。并展示了纤维锂离子电池纺织品可以集成到日常服装中,为手机无线充电,并作为实时健康管理和反馈工具。 尽管如此,为了生产下一代智能纺织品以及生物医学和商业可穿戴设备,仍然需要先进的编织方法和设备来进一步优化纤维锂离子电池之间的电气连接并更好地将纤维锂离子电池与其他纺织设备集成。此外,使用具有更高比容量的活性材料,可能可以获得具有更高能量密度的纤维锂离子电池。作者相信,凭借大规模生产高性能纤维锂离子电池的能力,纤维锂离子电池纺织品具有广泛的应用前景。
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Fig. 1 Measured and predicted internal resistances of FLIBs decrease with fibre length.

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Fig. 2 Continuous fabrication and structural characterization of long FLIBs.

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Fig. 3 Electrochemical properties of FLIBs.

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Fig. 4 Applications of FLIB textiles.

【文献信息】
He, J., Lu, C., Jiang, H. et al. Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries. Nature 597, 57–63 (2021). 
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03772-0
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0

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参考文献: