突破性柔性纖維燃料電池問(wèn)世，可彎曲可裁剪，一分鐘完成燃料補(bǔ)充

隨著移動(dòng)和穿戴式設(shè)備的迅速普及，市場(chǎng)對(duì)輕量、柔性能源解決方案的需求日益迫切。盡管太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、鋰離子電池和鋅空氣電池等柔性電源不斷推陳出新，它們?nèi)云毡榇嬖谝蕾嚬庠础⒛芰棵芏扔邢藁虺潆姇r(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。燃料電池因其高能量密度和快速補(bǔ)充燃料的潛力被視為未來(lái)能源供應(yīng)的重要方向，但傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的壓力封裝要求嚴(yán)重限制了其在柔性電子設(shè)備中的應(yīng)用。

近日，蘇州大學(xué)嚴(yán)鋒教授、孫哲副研究員和東華大學(xué)朱美芳院士合作，提出了一種基于凝膠介導(dǎo)內(nèi)部壓力封裝策略的柔性纖維狀直接甲醇燃料電池（FDMFCs），成功克服了剛性組件和外部壓力封裝的限制。該電池利用編織棉纖維在凝膠基質(zhì)中的動(dòng)態(tài)溶脹行為，實(shí)現(xiàn)了界面自增強(qiáng)和壓力調(diào)控的一體化，可在-22°C至70°C的寬溫范圍內(nèi)工作，具備可裁剪、耐水和快速加注等特性，能量密度高達(dá)161.36 Wh kg?1，顯著優(yōu)于現(xiàn)有纖維狀能源器件。相關(guān)論文以“Flexible fibre-shaped fuel cells with gel-mediated internal pressure encapsulation”為題，發(fā)表在Nature Materials上，論文第一作者為Yuan Yongjiang, Liu Ziyang。

該電池的核心創(chuàng)新在于其采用的Yarn@gels結(jié)構(gòu)——將棉纖維包裹在凝膠中，不僅作為燃料存儲(chǔ)介質(zhì)，還通過(guò)溶脹產(chǎn)生內(nèi)向壓力，確保各組件間緊密接觸。圖1a–b對(duì)比了傳統(tǒng)外部壓力封裝和新型內(nèi)部壓力封裝機(jī)制：后者利用Yarn@gels產(chǎn)生的徑向膨脹力替代傳統(tǒng)端板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更均勻的界面壓力和更緊湊的電池設(shè)計(jì)。圖1c–d進(jìn)一步展示了FDMFCs可編織成堆棧結(jié)構(gòu)，并為負(fù)載供電，同時(shí)具備柔韌性、可裁剪和可重復(fù)加注的實(shí)用特性。

圖1 | FDMFCs的結(jié)構(gòu)與特性。 a, 外部壓力封裝示意圖：利用端板向內(nèi)傳遞夾緊力，以確保組件界面的最優(yōu)接觸。 b, FDMFCs內(nèi)部壓力封裝的機(jī)制與相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)示意圖。該策略利用Yarn@gels產(chǎn)生的溶脹力，從中心徑向向外傳遞，確保組件界面良好接觸。 c, 柔性FDMFCs編織成燃料電池堆并為負(fù)載供電的示意圖。 d, FDMFCs的柔性、可裁剪和可加注特性示意圖。

Yarn@gels的制備涉及多種單體與PEGDA的光聚合反應(yīng)，形成具有協(xié)同交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的凝膠結(jié)構(gòu)。掃描電鏡圖像（圖2b–c）顯示凝膠均勻包覆在纖維表面，顯著提升了界面結(jié)合力和耐溶劑性能。該結(jié)構(gòu)在12 M甲醇中溶脹率超過(guò)50%，吸收容量大于10 g/g，同時(shí)有效抑制甲醇滲透。分子模擬表明，凝膠與甲醇間存在強(qiáng)烈的氫鍵作用，使其具備優(yōu)異的溶劑響應(yīng)性和屏障功能（圖2e–g）。此外，Yarn@gels在-20°C至70°C范圍內(nèi)機(jī)械性能穩(wěn)定，經(jīng)歷一萬(wàn)次彎曲循環(huán)后應(yīng)力衰減小于3%，界面無(wú)分層（圖2h–j）。

這項(xiàng)研究通過(guò)纖維結(jié)構(gòu)和凝膠封裝技術(shù)的創(chuàng)新，成功解決了柔性燃料電池在封裝、接口可靠性和環(huán)境適應(yīng)性方面的關(guān)鍵難題。FDMFCs不僅展現(xiàn)出卓越的綜合性能，還具備良好的安全性和模塊化潛力，為下一代高性能柔性電源的發(fā)展指明了方向，有望推動(dòng)柔性電子、可穿戴設(shè)備乃至分布式能源系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步。

文獻(xiàn)鏈接：Flexible fibre-shaped fuel cells with gel-mediated internal pressure encapsulation，2025，https://doi.org/10.1038/s41563-025-02319-2）

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