摘要：柔性可穿戴电子设备的快速发展对轻薄、多维灵活的纤维状锂离子电池（FLIBs）提出了更高要求。尽管通过活性材料设计和连续化生产技术（如涂层法、热拉伸法）已取得进展，但电池尺寸放大后，因纤维轴向电场分布不均引发的严重极化效应，导致活性材料利用率不足、容量与功率输出
柔性可穿戴电子设备的快速发展对轻薄、多维灵活的纤维状锂离子电池（FLIBs）提出了更高要求。尽管通过活性材料设计和连续化生产技术（如涂层法、热拉伸法）已取得进展，但电池尺寸放大后，因纤维轴向电场分布不均引发的严重极化效应，导致活性材料利用率不足、容量与功率输出受限，成为大尺寸纤维电池（L-FLIBs）实用化的关键瓶颈。
复旦大学彭慧胜院士、王兵杰研究员团队提出“双端电子收集终端（DECT）”创新设计，通过优化电场分布机制攻克了这一难题。研究团队结合等效电路模型与实验验证，证实DECT结构可沿纤维轴建立对称均匀的电场，显著降低电池内阻60%，提升氧化还原动力学效率。基于此，团队成功制备出10米长的单纤维电池，容量突破1Ah（3685mWh功率），为目前连续生产纤维电池的最高纪录。该电池可集成于织物电源包中，为便携设备供电。相关论文以“Ah-Level Large-Format Fiber-Shaped Lithium-Ion Batteries Enabled by Effective Field Homogenization”为题，发表在Advanced Materials上。
电场均匀化机制
传统单端（SECT）或对端（CECT）设计在电池长度超过2米时，因电子传输路径延长导致电场梯度加剧，容量与功率骤降（图1c）。而DECT设计通过在纤维两端设置平衡集电点，使5米长电池的电位分布呈对称最小梯度（图1b），容量与功率随尺寸线性增长。实验表明，10米长DECT电池充放电曲线稳定，容量达1011mAh（图1d）。
图1 实现大尺寸纤维状锂离子电池（L-FLIBs）的终端设计 a) 通过终端设计实现超2米长L-FLIBs的示意图。 b) 5米长L-FLIBs在1C倍率下的模拟电位分布图，对比三种终端配置：单端（SECT）、对端（CECT）和双端（DECT）。 c) 不同终端配置L-FLIBs在0.5C倍率下的容量与功率对比。 d) 10米长L-FLIBs充放电曲线，DECT设计实现单电池超1Ah容量。
电路模型验证
团队构建了精细化等效电路模型（图2），将单位电池内阻分解为正极集流体电阻（RA1）、负极集流体电阻（RC1）和极化阻抗（Z）。模拟显示：SECT设计因远端电阻累积造成严重极化（图3a）；CECT虽电场均匀但电子需穿越全长集流体，内阻最高（图3b）；DECT则通过双端分流将最大电子传输距离减半，实现全域均匀电位分布（图3c）。电位差分析进一步证实DECT的电场均匀性最优（图3d）。
图2 电场分析的等效电路模型 a) 简化电池模型。b) SECT电池等效电路。c-e) SECT、CECT和DECT电池的集成等效电路计算模型。
图3 终端设计对5米长L-FLIBs的影响机制 a-c) 三种设计的等效电路（左）及沿纤维轴的电阻分布（右）。 d) 5米长L-FLIBs的电位差计算值。 e) FLIBs充放电曲线与同步电压监测（CECT监测正极端，SECT监测远端）。 f) 0.7C倍率放电至3V后石墨负极残锂量定量分析。
材料利用与电化学性能
通过ICP-OES检测石墨负极残锂量，发现DECT电池在0.7C倍率放电后残锂量最低（图3f），证明其活性物质利用率显著提升。电化学测试中，5米长DECT电池放电中值电压（3.64V）、比容量（172.08mAh g−1）和库伦效率（91.79%）均优于对照组（图4a）。阻抗分析（图4b）与脉冲测试（图4e）显示DECT内阻仅为SECT的60%，功率输出提升40%。此外，DECT电池在0.5C倍率下循环200次后容量保持率80%（图5a），且高倍率性能突出（0.5C时容量保持率93%，图5c）。
图4 5米长L-FLIBs内阻与极化分析 a) 化成循环充放电曲线。b) 奈奎斯特图。c) 恒电流间歇滴定（GITT）结果。 d) GITT脉冲计算的欧姆电阻与极化电阻。e) 50%荷电状态下的内阻对比。f) 不同放电倍率下的极化电压。
应用演示
团队将8根5米长DECT电池编织成织物电源包（图5j），成功为智能手表充电（图5k）。电池在弯折（10万次后容量保持93.5%）、挤压、锤击等极端形变下仍稳定运行，彰显其在可穿戴场景中的实用性与鲁棒性。
图5 5米长L-FLIBs电化学性能与应用演示 a) 0.5C倍率循环性能。b) 第1-200次循环充放电曲线。c) 倍率性能。d) 0.5C充放电曲线。e) 不同荷电状态脉冲功率能力。 f) 螺旋电极照片（比例尺：3mm）。g) 纤维电池卷材。h) 不同长度电池照片（5米长采用DECT）。 i) 织物电源包集成示意图。j) 实物图。k) 为智能手表充电（比例尺：3cm）。
总结与展望
该研究通过DECT设计从根本上解决了大尺寸纤维电池的反应异质性问题，突破了单纤维电池长度（
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来源：科学小大人