复旦大学彭慧胜院士团队AM：常春藤启发的纤维锂离子电池！

随着可穿戴技术的快速发展，柔性储能电池成为关键支撑。然而，传统锂离子电池中使用的易燃有机液体电解质存在安全隐患，亟需被更安全的聚合物凝胶电解质取代。尽管通过设计具有通道结构的电极可以有效引入凝胶电解质，实现高性能与高安全性的柔性电池，但现有凝胶电解质的制备通常依赖加热、紫外线照射或无氧环境等苛刻条件，这不仅使制造过程复杂化，也推高了生产成本，成为规模化应用的主要挑战。

受自然界常春藤缠绕并分泌液体粘附于支撑藤蔓的启发，复旦大学彭慧胜院士团队王兵杰研究员、孙雪梅教授开发出一种新型纤维锂离子电池。该电池通过将纤维状正负极共缠绕，并注入含有三元与五元环醚单体及路易斯酸引发剂的前驱体溶液，在室温下固化形成聚合物凝胶电解质，从而在电极与电解质之间构建出稳固的界面。所得纤维电池表现出优异的循环稳定性（1000次循环后容量保持率达88%）、机械耐久性（10000次弯曲后仍保持96%容量）以及存储稳定性（在40°C、80%相对湿度下保持80%容量）。更令人瞩目的是，电池在切割、燃烧等极端条件下仍能正常工作。这一仿生策略省去了复杂加工步骤，使生产成本降低46%，达到每米1.5美元，为柔性电池的大规模应用铺平道路。相关论文以“Ivy-Inspired Design of Polymer Gel Electrolytes for Fiber Lithium-Ion Batteries with High Stability”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队借鉴常春藤释放液体渗出物并温和交联的机制，设计出可在室温下聚合的前驱体溶液。如图1所示，正负极纤维以类似藤蔓缠绕的方式扭结，前驱液充分渗透至纤维内部空隙，在路易斯酸引发下发生开环共聚，形成牢固的凝胶电解质层。该过程无需加热、紫外线或隔绝氧气，极大简化了制造流程。

图1 常春藤启发的纤维锂离子电池（FLIB）制备示意图 a) 常春藤稳定缠绕藤蔓的示意图，其分泌的液体能有效润湿两植物表面的空隙。 b) FLIB设计示意图：正负极纤维以模仿常春藤-藤蔓缠绕结构的方式扭结并粘结，同时前驱体溶液渗透至两纤维内部的空隙中。 c) 单体在这些空隙中聚合形成聚合物凝胶电解质，牢固粘结纤维正负极。值得注意的是，聚合在室温下进行，无需紫外线或隔绝氧气——类似于常春藤分泌物的自然固化过程。

通过拉曼成像与扫描电镜分析（图2），凝胶电解质被证实充分填充了正极LiCoO₂与负极石墨颗粒之间的微米级间隙，实现了无缝界面接触。流变测试显示该凝胶具有440 Pa的储能模量和超过40%的线性黏弹性区，表明其能有效适应电极体积变化。电化学阻抗谱显示其室温离子电导率高达4.0×10⁻³ S cm⁻¹，活化能仅为0.12 eV，锂离子迁移数为0.366，优于常规液态电解质。此外，凝胶电解质具备4.5 V的电化学稳定窗口，满足高压电池需求。

图2 聚合物凝胶电解质的界面性质与表征 a) 聚合物凝胶电解质、LiCoO₂（LCO）与石墨颗粒的拉曼成像。活性颗粒被包裹在凝胶电解质中。比例尺：4 μm。 b) LiCoO₂与石墨颗粒的拉曼光谱。LiCoO₂在486与596 cm⁻¹处出现特征峰，石墨在1350与1580 cm⁻¹处有峰。 c) LiCoO₂颗粒与凝胶电解质的横截面扫描电镜图像及对应的能谱线扫描曲线。凝胶电解质充分填充了LiCoO₂颗粒之间的间隙。比例尺：10 μm。 d) 凝胶电解质在1 Hz频率与25°C温度下的应变扫描测量，储能模量G′与损耗模量G″显示出超过40%的线性黏弹性区。 e) 不同温度下凝胶电解质的电化学阻抗谱。 f) 20至70°C范围内离子电导率的阿伦尼乌斯图。 g) 凝胶基FLIB在0、50与500次弯曲循环后的电化学阻抗分析。 h) 凝胶基FLIB的首次充放电曲线。 i) 凝胶基FLIB的微分容量曲线，其中峰对应锂离子的嵌入与脱出过程。

在电化学性能方面（图3），凝胶基纤维电池在1000次充放电循环中容量保持率达88%，首次库仑效率为90%。经过10000次弯曲后，其容量几乎未衰减（96%），内阻仅微增5%，展现出卓越的机械稳定性。在不同弯曲角度下均能稳定点亮LED，并在充满电状态下于25°C、50%湿度环境中存储30天后电压仍高于4 V。

图3 凝胶基FLIB的电化学性能 a) 凝胶基FLIB在充放电循环中的容量保持率与库仑效率。 b) 第1、500与1000次循环的充放电曲线。 c,d) 不同弯曲循环后的容量保持率与电阻变化。经过10000次弯曲，容量保持率仍为96%，电阻仅增至100.9%，显示出优异的变形稳定性。 e) 凝胶基FLIB在25°C与50%相对湿度下的电压-时间曲线。

安全性能测试结果尤为突出（图4）。凝胶电解质电池在被切割或点燃时不泄漏，并能持续供电；在切割或-0.09 MPa真空环境下，其放电容量保持率分别为95%与88%，远高于液态电解质电池的45%与37%。在高温（60°C）与高湿（40°C、80% RH）条件下，电池电压稳定在4.08 V以上，存储25小时后容量保持率超过90%，且充放电曲线极化极小，说明凝胶内部几乎无副反应发生。

图4 凝胶基FLIB在恶劣条件下的安全表征 a) 凝胶基FLIB在切割与燃烧过程中点亮LED的照片，展示其高安全性与稳定性。 b,c) 凝胶电解质与液态电解质FLIB在切割及-0.09 MPa真空条件下的容量保持率比较。凝胶基FLIB表现出远高于液态体系的容量保持率。 d) 凝胶基FLIB在60°C高温下的充放电循环容量保持率。 e) 凝胶基FLIB在40°C与80%相对湿度下的电压-时间曲线。 f) 在40°C与80% RH环境中存储25小时前后的充放电曲线对比。

总之，这项研究通过模仿常春藤的自然粘附机制，成功开发出在温和条件下制备的高性能、高安全性纤维锂离子电池。该电池兼具优异的电化学性能、机械韧性与环境稳定性，且生产成本显著降低，为实现可穿戴设备及其他下一代储能系统的大规模应用提供了可行路径。

来源：高分子科学前沿

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