用聚合物凝胶电解质代替液体电解质，是解决安全问题和在可穿戴电池中实现高灵活性的有效方法。然而，由不充分润湿引起的聚合物凝胶电解质和电极之间的不良界面，会导致电化学性能变差，尤其是在电池变形时尤甚。

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。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。

本研究提出了一种设计电极通道结构的策略，以整合聚合物凝胶电解质并形成与电极亲密且稳定的界面，从而实现高性能可穿戴电池。通过旋转多根正极和负极纤维以及隔膜，形成了纤维间的对齐通道，同时在每个电极纤维表面设计了网络化的通道。单体溶液首先沿着对齐的通道有效渗透，然后进入网络化的通道，随后单体聚合形成凝胶电解质，与电极形成亲密且稳定的界面。所得的纤维锂离子电池（FLB）展示了高电化学性能（例如，能量密度约为128 Wh kg^-1）。这一策略也使得FLBs的生产速度高达每绕组单元3600m h^-1。连续的FLBs被编织成50 cm × 30 cm的纺织品，提供了2975 mAh的输出容量。FLB纺织品在极端条件下安全工作，如-40°C和80°C的温度以及-0.08 MPa的真空。FLB在消防和太空探索等领域显示出应用前景。

图 1. 基于聚合物凝胶电解质的FLB的制造过程。首先在纤维集流体上沉积活性颗粒形成网络化通道，然后旋转多根正负极纤维以形成对齐通道。单体溶液沿对齐通道渗透，随后聚合和封装形成FLB

基于连续化制备方法，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，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。

图 2. 通过横截面扫描电子显微镜（SEM）图像和能量色散X射线光谱（EDS）元素分布，展示了FLB中形成的对齐通道和网络化内外通道，以及在不同充电状态下凝胶电解质与活性颗粒界面的亲密性

图 3. FLB的电化学性能，包括连续生产的FLB的稳定性、能量输出随FLB长度的线性增加、不同FLB的电化学性能分布、以及在1000个充放电周期后的容量保持和库仑效率。

图 4. FLB纺织品的应用，包括在消防服中的应用、在极端条件下的稳定性测试、以及在不同条件下为电子设备供电的能力

总之，本研究成功开发了具有聚合物凝胶电解质的高性能FLB，这些电池通过设计对齐的通道结构和网络化内部通道与电极纤维形成了稳定界面。所得到的FLB展现了约128 Wh kg-1的高能量密度，并且具有足够的柔韧性和稳定性，能够承受10万次的变形循环。即使在80°C和-40°C的极高和极低温度以及-0.08 MPa的真空等极端条件下，FLB也能有效地工作。FLB以每绕组单位3600 m h-1的高速度生产，适合工业规模生产和应用。此外，FLB被编织成大面积的电源纺织品，提供了与商业电池相当的高容量输出。这些FLB在柔性电子、生物医学工程、太空探索和可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。未来的工作应致力于优化凝胶电解质以增强能量存储性能，并设计高效的集成方法来生产大规模电源纺织品。

如今，彭慧胜院士团队正在纤维电池的应用之路上进行探索。“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。