复旦王兵杰研究员团队Angew：具有耐火性的准固态纤维状锂离子电池

可扩展的纤维状锂离子电池 (FLIB) 因其柔韧性和可编织性而备受青睐，由于其能够无缝集成到纺织品和设备中，正在成为可穿戴电子产品的理想电源。通常， FLIB 是通过扭曲纤维电极和注入液体电解质 (LE) 来制造的。与传统锂离子电池一样，使用有机 LE 会带来重大的安全风险，包括泄漏、燃烧和爆炸。了解决这些安全问题，研究人员已转向准固体或固态电解质。例如，凝胶聚合物电解质 (GPE) 通过将 LE 的高离子电导率和强电极 / 电解质界面与固体电解质的机械柔韧性和安全性相结合，提供了一种有前途的解决方案，有效降低了电解质泄漏的风险。但传统的 GPE 制造方法（例如浸涂法）劳动密集且效率低下，需要重复涂覆和干燥步骤。此外，聚合物溶液的高粘度会阻碍电解质注入，降低对纤维电极的渗透，并导致电解质和电极之间接触不足，从而影响性能。

为了克服这些挑战，作者研究团队最近开发了一种新颖的原位聚合技术，通过设计纤维电极内的通道结构来容纳聚合物凝胶电解质。这种方法不仅可以增强电解质的渗透，还可以稳定凝胶状态的电解质，有效防止泄漏。然而，要实现最佳电化学性能， GPE 中的液体含量必须很高（ ~95 wt% ），这引发了新的安全问题。这些 GPE 中的高含量有机溶剂仍然易燃，并且在高温下会释放出蒸发的碳酸盐或醚。这些蒸气可以产生活性自由基，例如氢（ H ⋅ ）和羟基自由基（ HO ⋅ ），从而引发燃烧链式反应。

复旦大学王兵杰研究员团队 通过采用原位聚合凝胶聚合物电解质 (GPE) 开发了防火的锂钴氧化物 / 石墨 FLIB ，该电解质结合了 1,3,3,5,5- 五氟 -1- 乙氧基 - 环三磷腈 (PFP
N) 作为阻燃剂和三乙二醇二甲基丙烯酸酯 (TEGDMA) 作为交联剂。这种 GPE 的原位聚合非常适合连续 FLIB 生产，并增强了电解质 / 电极界面。由此产生的 GPE 消除了液体电解质固有的可燃性，自熄时间为零，这归因于双重阻燃机制：气相自由基清除和凝聚相碳形成。值得注意的是，使用阻燃 GPE 的 FLIB 不会发生热失控，并且在各种滥用条件下都保持不可燃性，包括机械滥用（切割或碰撞）、电气滥用（过度充电或过度放电）和热滥用（过热或火灾危险）。此外，这些 FLIB 在 500 次循环 中实现了出色的循环稳定性，并且在 10,000 次弯曲 循环后仍 保留了 99.4% 的容量 ，突出了其出色的耐用性。这项研究提出了一种有效而直接的方法，可大大提高 FLIB 在可穿戴应用中的安全性和实用性。

相关研究成果2025年2月10日以“ Quasi-solid Fiber-shaped Lithium-ion Batteries with Fire Resistance ”为题发表在 Angewandte Chemie 上。

开发了防火的准固态纤维状锂离子电池 ：研究者开发了一种具有防火性能的准固态纤维状锂离子电池，通过使用原位聚合的凝胶聚合物电解质（ GPE ），并添加了 1,3,3,5,5- 五氟 -1- 乙氧基 - 环三磷腈（ PFPN ）作为阻燃剂和三乙二醇二甲基丙烯酸酯（ TEGDMA ）作为交联剂。这种 GPE 通过原位聚合技术制备，适合于连续生产 FLIBs ，并且显著提高了电解质 / 电极界面的稳定性。

实现了零自熄时间的防火性能 ：通过 PFPN 和 TEGDMA 的协同作用， GPE 实现了零自熄时间，显著提高了电池的安全性。 GPE 在燃烧过程中通过气相自由基清除和凝聚相碳层形成双重机制，有效阻止了燃烧链反应，避免了热失控。

优异的电化学性能和机械稳定性 ：开发的 FLIBs 在 500 个循环后仍保持 81.3% 的容量，并且在 10,000 次弯曲循环后容量保持率为 99.4% ，展示了出色的循环稳定性和机械稳定性。 FLIBs 在 0.5 C 倍率下循环 500 次后容量保持率为 81.3% ，在 1 C 倍率下容量保持率为 92.0% ，并且在 10,000 次弯曲循环后容量保持率为 99.4% 。

在多种滥用条件下表现出卓越的安全性 ： FLIBs 在机械滥用（切割或碰撞）、电气滥用（过充或过放）和热滥用（过热或火灾危险）等多种滥用条件下表现出卓越的安全性。在切割和点燃测试中， FLIBs 没有发生燃烧或失效，仍然能够稳定地为 LED 供电。在 80°C 的高温下， FLIBs 能够正常充放电，显示出优异的热稳定性。在加速速率量热仪（ ARC ）测试中， FLIBs 的热失控温度远高于安全阈值，表明其避免了热失控。

原位聚合技术提高了生产效率 ：采用原位聚合技术制备 GPE ，适合于连续生产 FLIBs ，提高了生产效率和电解质 / 电极界面的稳定性。原位聚合技术通过在纤维电极内部设计通道结构，确保了 GPE 与电极的兼容性和稳定性，提高了电解质的渗透性和电池性能。

图 1. 阻燃 GPE 增强 FLIB 安全性的示意图

图 2. 阻燃 GPE 的特征和机理

图 3.GPE 的电化学性能

图 4. 基于 GPE 的 FLIB 的安全性能

科研绘图

华研科技

华研科技 ( www.cqhuayan.cn ) 由中科院博士成立，是一支具有科研背景及丰富科研绘图经验的团队，专注于 期刊封面、论文插图（TOC/流程图/摘要图/示意图）、科学动画 、宣传片、科普视频等设计制作， 科研绘图培训/专场培训 ，为国内外高校和科研院所提供丰富的可视化服务方案。设计作品已发表在Nature、Science、Cell等国际著名杂志上，服务客户的研究领域涵盖生物、物理、化学、医学、计算机、人工智能等各个学科，提供的科学可视化手段包括三维建模、手绘、VR/AR、数字孪生等。华研科技志在为广大科研工作者提供完美的科学可视化服务，节约您宝贵的时间和精力。 （ 如有需要请添加文末微信）

期刊封面作品

论文插图作品

绘图咨询

微信号：huayankeji2023