纤维锂离子电池：应用视角下的新型能源存储技术
纤维锂离子电池：应用视角下的新型能源存储技术
纤维锂离子电池（FLBs）作为新一代柔性储能技术，凭借其独特的高储能性能、柔性和可编织性，在柔性可穿戴领域展现出巨大的应用潜力。复旦大学彭慧胜/王兵杰团队从应用视角出发，系统总结了纤维锂离子电池的发展历程、关键技术突破及未来发展方向，为该领域的研究和应用提供了重要参考。
图1. 纤维锂离子电池的发展历程
作为现代电子设备中不可或缺的核心组件，以锂离子电池为代表的储能器件在电子工业和日常生活中扮演着至关重要的角色，凭借其高能量密度、长循环寿命以及高工作电压等显著优势，成为商业储能器件的主流选择。其中，纤维锂离子电池（Fiber lithium-ion batteries, FLBs）作为一种极具应用潜力的柔性储能器件，受到了学术界和产业界的广泛关注。其独特的一维结构赋予了其优异的柔性，保障了其穿戴的舒适性。即便在动态变形条件下，仍能确保电化学性能的稳定。同时，纤维锂离子电池还可编织成透气的储能织物，或与其他柔性电子器件集成为多功能电子织物，极大丰富了可穿戴设备的设计形态。
在过去十年间，纤维锂离子电池取得了显著进展。2013 年，彭慧胜教授团队发表了第一篇关于纤维电池的论文，证实了纤维结构设计用于储能器件的可行性，随后基于多种材料和结构的纤维锂离子电池被相继报道。然而，受限于“电池内阻随长度增加而增大”等传统认知及制备工艺，早期纤维锂离子电池的长度通常局限于几厘米，无法连续化构建，且能量密度较低（小于 1 Wh/kg）。2021 年，研究人员揭示了纤维锂离子电池的内阻随长度变化规律，并以此作为理论指导在实现连续化制备和提高能量密度等方面取得重大突破，促进了纤维锂离子电池的工程化进程。进一步，为确保实际应用中的安全性，研究人员设计了具有多层次网络孔道和取向孔道的纤维电极及其工程化制备路线，并设计了单体溶液，使其快速渗入纤维电极的孔道结构中。单体经过聚合反应后，形成高分子凝胶电解质，从而与纤维电极形成牢固而稳定的接触界面，实现了高安全性和高储能性能（128 Wh/kg）的双重兼顾，使纤维电池的规模应用成为可能。
尽管纤维锂离子电池已取得显著进展，但仍面临诸多挑战。首先，在实际应用场景中，需进一步提升其能量密度、功率密度及循环寿命等关键性能。这可以通过优化电池结构、开发新型高性能电极材料等方式，以满足多样化用电设备及复杂应用场景的需求。
其次，在长期稳定性和安全性方面仍需深入研究。通过开发固态电解质和高性能封装材料，可确保电池在复杂多变的环境中保持稳定可靠运行。
此外，为拓宽纤维锂离子电池的应用场景，需要进一步研究其串并联技术及电池管理系统，以实现更高效的能量调控和更广泛的适用性。
展望未来，纤维锂离子电池有望在智能纺织品、可穿戴设备、医疗保健和结构电池等领域实现广泛应用，为人类生活带来更多便利与惊喜。