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复旦大学王兵杰教授AM：多功能一体化集成纤维储能器件！

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-22 09:19

正文

【研究背景】

随着可穿戴电子设备的迅猛发展，储能器件作为其核心能量来源，受到了研究界的广泛关注。其中，柔性纤维储能器件（FESDs）凭借其独特的一维结构，展现出卓越的柔性和便携性，完美契合可穿戴电子设备及电子织物产品的能源供给需求。实现FESDs的连续化、规模制备是其走向商业化的关键所在。

【工作简介】

近日，复旦大学王兵杰教授团队在柔性储能领域取得进展，他们创新性地采用涂覆-挤出技术，成功实现了三电极多功能纤维储能器件（FESDs）的连续化制备。研究团队通过巧妙设计一种锥形喷丝板，构建了双压力区结构：在高压区实现对活性材料层的高效压实，显著提升了活性材料的最大负载量；在低压区则确保了纤维电极与凝胶电解质的紧密贴合，从而大幅增强了电极/电解质界面的稳定性。这一多功能器件展现出优异的性能，其最大功率密度达到2.4 W/m，同时具备纤维电池和纤维混合超级电容器的双重功能。该制备方法具备工业化生产能力，为柔性储能器件的产业化发展提供了新道路。 该文章发表在 Advanced Materials 上。复旦大学博士生王闯为本文第一作者，王兵杰教授为本文通讯作者。

【内容表述】

1. 多功能纤维储能器件的一体化设计和规模化制备

该多功能柔性纤维储能器件（FESDs）由凝胶电解质、锰酸锂（LMO）电极、磷酸钛锂（LTP）电极和活性炭（AC）电极组成（图1a）。其中，复合镍丝作为集流体，海藻酸钠（SA）作为凝胶电解质的高分子骨架（图1b）。通过将三个纤维电极中的任意两个连接到外部电路，即可实现多种纤维储能功能，LMO-LTP组合构成纤维电池，而LMO-AC或LTP-AC组合则构成纤维混合超级电容器（图1c）。FESDs的连续制备过程包括浆料混合、涂覆、挤出、水洗、拉伸、干燥和收集等多个步骤（图1d）。在复合镍丝上均匀涂覆LMO、LTP或AC浆料制备的电极，其表面呈现多孔结构，这不仅有利于凝胶电解质的充分渗透，还促进了稳定电极-电解质界面的形成。三种活性物质的负载量随电极浆料表观黏度的增加而显著提升，因此通过简单调整浆料粘度和涂覆速度，即可实现对活性材料负载重量的精确调控。此外，采用该涂覆方法制备的纤维电极在1 cm至200 cm的不同长度范围内均表现出优异的涂覆均匀性。由SA和硝酸锂（LiNO ₃ ）组成的水凝胶电解质前驱体展现出良好的流变特性，展现了挤出制备工艺的适用性。在制备过程中，负载活性材料的纤维电极通过送丝机引入喷丝孔，并与凝胶电解质前驱体同步挤出，随后在含有5 M硝酸钙（Ca(NO ₃ ) ₂ ）和2 M LiNO ₃ 的凝固浴中固化，形成具有交联结构的海藻酸钙凝胶网络。所得凝胶电解质具有高达32.0 mS/cm的离子电导率，并且在弯曲和扭转后仍保持优异的机械稳定性。最终，经过拉伸和干燥处理后，成功实现了多功能FESDs的大规模连续制备。

图1. FESDs的设计与涂覆-挤出连续化构建方法的制备过程。

2. 涂覆-挤出法的作用机制分析

为了深入探究双压力区喷丝板在挤出过程中对电极性能和界面稳定性的影响，研究团队采用有限元模拟方法进行了系统分析。模拟结果显示，锥形喷丝板的设计成功构建了两个连续的压力区（图2a）。喷丝板内部的中心压力呈现先恒定后逐渐下降的趋势，从而形成了明确的高压区和低压区（图2b）。涂覆法构建的LMO纤维电极展现良好的均匀性（图2c）。高压区施加的压力将活性材料的孔隙率显著降低至0.41（图2d），说明在高速挤出过程中，喷丝孔内的径向压力有效促进了活性材料颗粒之间的紧密接触，其作用机制类似于工业制备平面电极时采用的辊压工艺。当纤维电极进入低压区时，封闭喷丝孔道内的凝胶电解质被挤压浸入活性材料的空隙中，从而实现了优异的电极-电解质界面结合。此外，得益于高分子材料的挤出胀大效应，挤出后的凝胶电解质向内部纤维电极施加均匀的径向压力，进一步增强了界面应力（图2e）。这种双压力区设计将活性材料的最大负载量提高了23%，达到4.92 mg/cm（图2f）。与传统的无压力涂覆方法相比，这一方法有效提升了界面稳定性和电化学性能。通过扫描电镜和能量色散X射线能谱分析发现，在10 MPa的径向压力下，界面接触的稳定性得到明显改善（图2g）。最终制备的FESDs展现出优异的均匀性和稳定性（图2h），在经过10万次弯曲测试后，其容量保持率高达96.6%，证明了其良好的动态力学稳定性。

图2. 双压力区挤出器的有限元模拟分析和电解-电解质界面稳定性的表征。

3. FESDs的电化学性能表征和制备效率研究

通过多通道喷丝板将多个功能纤维电极高效集成到单一器件中（图3a），为FESDs的工业级大规模制备提供了创新解决方案。采用三通道喷丝板成功引入AC电极赋予FESDs了多功能潜力（图3b）。得益于凝胶电解质的隔膜作用，三电极在器件中呈现均匀的平行排列（图3c），即使在打结状态下，电极间仍保持适当间距，有效避免了器件内部短路的发生（图3d）。10厘米长的FESDs展现出优异的充放电性能：在纤维电池功能（LMO-LTP）下，其初始比放电容量达到89.4 mAh/g（图3e）；而在纤维混合超级电容器功能下，LMO-AC和LTP-AC组合分别实现了102.8 mAh/g和83.2 mAh/g的放电容量（图3f, g）。经过100次充放电循环后，三种功能下的容量分别稳定在65.8 mAh/g、98.3 mAh/g和55.1 mAh/g，且库伦效率始终保持在95%以上（图3h-j）。当制备速度从50米/小时提升至300米/小时时，40个10厘米FESDs的放电容量呈现典型的正态分布特征，证明了该策略具有优异的工程稳定性（图3k）。该策略不仅实现了纤维储能器件的多功能一体化集成，进一步通过设计多单元喷丝板实现了高达 2400米/小时的超高制备速率（基于8单元喷丝板）。

图3. FESDs的样貌与电化学性能表征。

4. 高功率密度储能织物的应用

多电极的FESDs展现出优异的柔性、安全性、可集成性、20 C的倍率性能（近50%容量保持率）和2.4 W/m的最大功率密度，在大电流需求下使用LMO-AC或LTP-AC混合超级电容器模式进行工作，为快速充电提供了一种新的解决方案（图4a）。使用商用编织机将FESDs编织成储能织物。采用LMO-AC混合超级电容器模式进行20 W的快速充电，然后用LMO-LTP电池模式进行5 W的高容量充电（图4b）。进一步通过将FESDs集成在柔性电子织物内作为独立电源模块，可以为各种可穿戴电子设备（如智能手表和VR眼镜）进行分离式供能（图4c）。这种高功率储能织物被集成到服装中，可以在30分钟内稳定地为VR眼镜供电（图4d）。

图4. FESDs编织电池织物的应用。

5. 结论

总之，该工作提出了一种规模化的高效涂覆-挤出策略，用于制备多功能纤维储能器件，同时具备纤维电池和纤维混合超级电容器的功能。进一步构建的高功率密度储能织物展现了良好的引用前景。这种涂覆-挤出法将有望促进更多功能器件的一体化集成，如纤维传感器和发光纤维等，为未来的可穿戴电子产品和智能织物发展提供新的解决方案。

【文献详情】

Chuang Wang, Yanfeng Zhang, Meng Liao, Pengzhou Li, Longmei Ma, Haixin Yao, Jiahe Qu, Kun Zhang, Chuanfa Li, Tianbing Song, Zhe Yang, Xiaocheng Gong, Haibo Jiang, Chengqiang Tang, Jianyou Feng, Xiangran Cheng, Yi Jiang, Lei Ye, Wei Li, Dongliang Chao, Huisheng Peng, Bingjie Wang*, A Novel Coating-Extrusion Method Enabled, High Energy, Power Density, and Scalable Production in Monolithically Integrated Energy Storage Fibers, Advanced Materials , 2025, 2417662. https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202417662

【作者简介】

复旦大学王兵杰教授AM：多功能一体化集成纤维储能器件！

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