衣物可以快速充电，背包化身移动电源，手机、电脑从此告别电量焦虑，一个柔性能源的时代即将来临。
近日，中国科学院院士、复旦大学高分子科学系教授彭慧胜课题组取得最新突破，建立起纤维电池织物的应用示范，打通从实验室到应用的“最后一公里”。这些新型纤维电池有望革新未来的能源供给方式，提供一种灵活、可靠、高效的电源解决方案，逐渐使科幻成为现实。该成果于北京时间4月24日晚以《基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池》为题发表于《自然》主刊（Nature）。
向爬山虎学习，突破“没有参考文献的全新领域”
是否可以通过设计纤维结构获得柔软的锂离子电池？如何制备高能量密度的纤维锂离子电池？怎样实现高安全性纤维锂离子电池？作为能源领域的一个全新研究方向，纤维锂离子电池在发展过程中面临着以上三个难题。
经过十多年探索，彭慧胜团队相继攻克了前两个难题。然而，高分子凝胶电解质难以与纤维电极形成紧密稳定的接触界面，导致纤维锂离子电池储能性能非常低。因此，解决第三个难题的关键在于，要解决高分子凝胶电解质与纤维电极界面不稳定的难题。
纤维锂离子电池概念图
彭慧胜团队围绕这一问题开展攻关，但前沿研究不免遇到质疑。“最开始的研究动机就是基于个人兴趣，而非随波逐流。我们没有模仿任何参考文献，而是选择没有参考文献的全新领域，放手去做。”在彭慧胜看来，做研究就要有创新、有突破。
突破的关键，源于对自然的观察与思考。某天，彭慧胜访问中国科学院上海硅酸盐研究所，注意到爬山虎可以紧密而稳定地缠绕在另一根植物藤蔓上。他细心察看，回去后查阅资料，了解爬山虎与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”的秘密：爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体，渗透到两者接触表面的孔道结构中，使液体中的单体发生聚合反应，将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。其中，孔道结构是实现重要生物功能的普适策略。
爬山虎具有独特的生物特性
学习自然，超越自然。受此启发，团队同时设计了具有多层次网络孔道和取向孔道的纤维电极，并设计单体溶液，使之渗入到纤维电极的孔道结构中。单体发生聚合反应后，生成高分子凝胶电解质，从而与纤维电极形成紧密稳定的界面，进而实现高安全性与高储能性能的兼顾。
发展连续化制备方法，建立纤维电池中试生产线
更进一步，团队发展出基于高分子凝胶电解质纤维电池的连续化制备方法，实现了纤维电池的规模制备。
纤维电池制备示意图
基于连续化制备方法，团队实现了数千米长度纤维锂离子电池的制备，其能量密度达到128瓦时/公斤，实现5C大电流供电，可有效为无人机等大功率用电器供电。高性能纤维电池具有优异的耐变形能力，在经历10万次弯折变形后容量保持率大于96%。
通过自主设计关键设备，团队建立了纤维电池中试生产线，实现每小时300瓦时的产能。这相当于每小时生产的电池可同时为20部手机充电。目前，该成果的中试物料成本约为每米5角；纤维电池直径最细仅为约500微米。
多卷纤维电池
团队成员展示了一款集成了纤维锂离子电池制作的可充电手提包：“手机放在这个包里面就能充电，半小时左右，手提包能给一部正常手机充进20%到30%的电量。”未来，团队还将尝试进一步集成纤维太阳能电池并与纤维锂离子电池结合，使衣物、包等日常穿戴物品可利用自然能源直接充电，更加环保高效。
彭慧胜认为，这一研究思路具有良好的普适性，可应用于不同材料体系纤维电池的制备，得到的纤维电池均显示出稳定的充放电性能。团队努力让制备过程高度可控，得到的纤维电池电化学性质具有良好的一致性，为进一步大规模应用提供支持。
制备高性能电池织物，探索多元应用场景
如今，团队正在纤维电池的应用之路上进行探索。
他们使用工业编织方法，制备了大面积纤维电池织物，并系统研究了织物的安全性。对于典型的50 cm×30cm大小的电池织物，容量可达到2975毫安时，与常用手机电池相当，可满足多种设备的用电需求。
为了更直观地展示纤维锂离子电池的应用潜力，团队率先试制了一款可充电概念背包，其在变形、水洗、强紫外照射后仍能稳定供电。“经过洗衣机100次洗涤及10000次摩擦实验后，电池性能基本未受影响，”彭慧胜介绍，“在高低温、机械破坏等极端条件下有良好的安全性，并可以正常工作，即使剪断一部分也能有效供电。”
沸煮、冰冻、剪断织物测试性能
团队还进一步制作了多功能消防服，在模拟高温火场的环境中，电池织物在即使被磨损剪断后仍没有发生着火、爆炸等安全事故，并能稳定地为对讲机、传感器等随身设备供电，也可以将特殊衣物在几分钟内加热到60℃。相关成果还有望应用于极地科考、航空航天等领域。
多功能消防服
“纤维电池的应用场景拥有非常广阔的想象空间，比如应用于软体机器人、虚拟现实设备等等。希望我们的这些尝试可以为其他科研团队提供一些经验。”彭慧胜说。
复旦具有良好的基础学科和基础研究优势，如何让源头创新成果变成有用的技术、产品和商品，走出一条具有复旦特色的发展路径，是十多年来彭慧胜带领团队一直试图回应的问题。
“目前产线上的核心零配件，都是我们自己设计和定制的。”接下来，他希望能与业界加强合作，邀请专业厂商参与打造生产线，进一步提升新型纤维锂离子电池性能，同时降低成本，推动纤维电池的广泛应用。
该论文是彭慧胜团队在高性能纤维电池研究领域发表于《自然》（Nature）的第三篇成果。彭慧胜为该论文通讯作者，复旦大学高分子科学系博士后路晨昊、博士研究生江海波、博士研究生程翔然为共同第一作者。研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07343-x
新闻链接：https://news.fudan.edu.cn/2024/0425/c31a140243/page.htm
