让梦想照进现实，你是否还在忍受手机没电却又不想带充电宝的苦恼？最新Nature研究证明通过身上的衣服，就可对手机进行无线充电，这项研究就来自复旦大学高分子科学系彭慧胜教授领衔的科研团队。
自今年3月10日起至今这短短不到半年的时间，彭慧胜教授已连续发表两篇Nature正刊，可谓是成果斐然！
在3月10日的文章中[1]，彭慧胜教授、陈培宁副研究员等人采用全新的材料设计方案，报告了一种6 m长，25cm宽的纺织显示器，包含5×105个电致发光单元，间隔约800微米。纺织品弯曲，拉伸或压制时，电致发光单元之间的亮度偏差也小于8％，并保持稳定。展示的纺织品柔软透气，经得起反复机洗，适合实际应用。这种集成纺织系统可以用作通信工具，在包括医疗保健在内的各个领域的“物联网”中具有巨大潜力。
在9月1日文章中[2]，彭慧胜教授、陈培宁副研究员等人又发现了纤维内阻与长度的双曲余切函数关系，并通过优化的可扩展工业流程生产了数米的高性能纤维锂离子电池。能量密度为85.69 Wh/kg，其容量保持率在500次充放电循环后达到 90.5%，在 1C 倍率下达到 93%（vs 0.1C），可与软包电池等商业电池相媲美。光纤弯曲 100,000 次循环后仍可保持80%以上的容量。可以说，衣服充电不是梦！
彭慧胜，复旦大学高分子科学系教授和系主任、国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、国家有突出贡献中青年专家、国家重点研发计划首席科学家。主要在高分子纤维器件领域开展研究工作，创制了多尺度螺旋复合纤维，揭示了电荷在高曲率纤维表界面快速分离与传输的机制，提出了纤维电子器件的设计思想，赋予纤维发电、储能等全新功能，提出了高分子纤维电子新方向。在Nature/Nature子刊/Nature Commun./JACS/Angew/AM/ Phys. Rev. Lett.等期刊上发表300多篇论文，SCI他引2万多次，H指数85，2018年起连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”。作为第一完成人，获得2019年度国家自然科学二等奖。课题组主页：http://fiber.fudan.edu.cn/
此外，彭教授在储能器件领域也颇有造诣，最近Nature发表仅仅4天后，9月5日国际顶级期刊Advanced Functional Materials又在线发表了有关锌离子电池的最新成果[3]。
锌（Zn）金属由于其高容量、低氧化还原电位、丰富的储量和低成本被认为是“后锂”时代有前途的负极。然而，目前的锌电池负极利用率低，设备级能量/功率密度远低于理论值。Zn 金属的有限可逆性归因于Zn与水系电解液的自发寄生反应，即水腐蚀、钝化副产物形成和枝晶生长。
在此，彭慧胜教授与南京大学张晔副教授（共同通讯）等人联合设计了一种涂覆在Zn负极上的新型离子选择性聚合物胶，可通过阻止水的扩散将Zn负极与电解液隔离，同时允许Zn2+ 快速迁移并促进均匀的电沉积。因此，改性的Zn负极在高电流密度下实现了创纪录的90%的锌利用率且循环达1000小时，与报道的较低锌利用率（50-85%）下较差的循环性能（通常<200小时）形成鲜明对比。当与钒基正极匹配时，所得锌离子电池表现出228 Wh kg-1的超高装置级能量密度，可与商用锂离子电池相媲美。
聚合物胶是通过聚环氧乙烷 (PEO) 和双（三氟甲磺酰基）亚胺锂在由丙酮和二氯甲烷组成的二元溶剂中共溶解制备的，并产生粘性，然后通过简单的刮刀法将制备的聚合物胶均匀地涂覆在锌箔上。
如图1a，制造的对称电池在5 mA cm-2的高电流下表现出1000小时的高度稳定性，并具有超高的Zn利用率。相比之下，由裸Zn制成的对称电池只能工作一个循环。在电流密度从2 增加到10 mA cm-2时，改性Zn负极表现出了优异的倍率性能（图1b）。与之前的报道相比，聚合物胶改性Zn负极提供了迄今为止在超高电流下最高的Zn利用率（90%）且循环达1000小时（图1c）。
对称电池的优异倍率性能可归因于聚合物胶提供的快速Zn2+ 迁移能力。聚合物胶的离子电导率达到 6.18 mS cm-1，与 PEO 相比增加了1400倍，分子动力学模拟显示Zn2+的扩散系数高达1.00×10-5cm2 s-1（图2a），但水在聚合物胶中的扩散系数为1.01×10-7cm2 s-1，H2O渗透受到明显阻碍（图2b）。标准剥离测试证实了聚合物胶和Zn之间的牢固粘附，粘附强度达83 N m-1（图2c）。
因此，通过抑制水渗透以及粘附紧凑的界面，腐蚀和钝化受到显著抑制。如图3d所示，使用聚合物胶改性Zn负极的腐蚀电流密度比裸锌低5.25 倍。此外，采用弱酸性ZnSO4电解液中来检验聚合物胶的防腐性能，改性Zn负极中没有观察到H2气泡，而在裸Zn上发现了许多H2气泡（图2d）。最后通过测量对称电池电解液的pH值来监测腐蚀速率，在10个循环中，改性Zn负极的pH值几乎保持不变，而裸Zn由于强烈腐蚀，pH值增加0.5图2g~h）。
通过表面分析进一步研究了聚合物胶的抗钝化特性。改性Zn负极在浸入ZnSO4电解液15天后仍保持良好的金属光泽，而裸Zn上逐渐产生钝化层，XRD探测钝化产物的晶体学证实了这一点（图3a）。此外，循环后裸Zn负极上观察到 Zn II峰、对应于SO42-的O物种和复杂的S物种，进一步证实了裸Zn的表面钝化（图3b~d）。SEM表征显示改性Zn负极循环后检测到均匀的无枝晶表面，这有效地消除了由枝晶生长引起的短路（图3e），而在循环的裸Zn负极中观察到枝晶（图3f）。此外，通过计时电流法测试探索了独特的锌沉积行为，Zn2+ 容易沿负极表面横向迁移并在突出的活性位点上积累，放大了电场的不均匀性并降低了进一步Zn沉积能垒（图3g）。
以NH4V4O10正极与聚合物胶涂覆改性Zn负极配对组装了锌离子全电池。即使在50% 的超高Zn利用率下，改性Zn负极也表现出410 mAh g-1超高比容量。相比之下，裸Zn负极的容量在前几个循环中急剧下降（图4a）。初始容量增长归因于正极的活化，可能是由于结晶度和形态优化，Zn的短缺导致最终的电池故障（图4b）。基于改性Zn负极的全电池在5.0 A g-1下获得了超过2000次循环的增强稳定性，基于裸Zn负极的全电池在前500次循环中容量迅速衰减至≈20%（图4c）。在5.0 A g-1下测得基于改性Zn负极的全电池容量保持率为30%（vs 0.1A g-1），提供了卓越的倍率性能（图4d）。且该全电池在0.1 A g-1时的能量密度为228 Wh kg-1，在5.0 A g-1时的功率密度为2533 W kg-1，远远超过了报道的水系电池（图4e）。
作者进一步展望了聚合物胶基锌离子电池的实际应用前景。通过将涂有聚合物胶的 Zn 箔（图5a）夹在“U”形正极中设计了一个软包电池，该正极通过在316 不锈钢网上涂覆NH4V4O10制成（图5b），制造好的软包电池可以有效地为智能手机供电（图5c）。软包电池在承受 90° 弯曲 1000次循环后容量保持率仍高达 95%（图5d），且可以连续工作并在切割后为液晶显示器供电（图5e）。热成像表明切割过程中温度保持不变（图5f）。
总之，作者在Zn负极上设计了一种新型聚合物胶，在5 mA cm-2的高电流密度下，在 1000小时的超长时间内实现90% 的Zn利用率。系统地探索了聚合物胶的工作机制，证明了通过同时阻止水渗透并促进Zn2+ 快速迁移来有效抑制Zn负极的腐蚀和钝化。此外，聚合物胶限制了Zn2+的横向积累并促进均匀且无枝晶的 Zn 沉积。因此，由此组装的全电池表现出超高的能量和功率密度以及长寿命。这项工作代表了开发下一代高性能水系电池的通用有效策略。
1. Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03295-8
2. Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries. Nature 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03772-0
3. Engineering Polymer Glue towards 90% Zinc Utilization for 1000 Hours to Make High-Performance Zn-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202107652
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