来源：高分子科学前沿
随着移动和穿戴式设备的迅速普及，市场对轻量、柔性能源解决方案的需求日益迫切。尽管太阳能电池、超级电容器、锂离子电池和锌空气电池等柔性电源不断推陈出新，它们仍普遍存在依赖光源、能量密度有限或充电时间较长等问题。燃料电池因其高能量密度和快速补充燃料的潜力被视为未来能源供应的重要方向，但传统的刚性结构和复杂的压力封装要求严重限制了其在柔性电子设备中的应用。
近日，苏州大学严锋教授、孙哲副研究员和东华大学朱美芳院士合作，提出了一种基于凝胶介导内部压力封装策略的柔性纤维状直接甲醇燃料电池（FDMFCs），成功克服了刚性组件和外部压力封装的限制。该电池利用编织棉纤维在凝胶基质中的动态溶胀行为，实现了界面自增强和压力调控的一体化，可在-22°C至70°C的宽温范围内工作，具备可裁剪、耐水和快速加注等特性，能量密度高达161.36 Wh kg⁻¹，显著优于现有纤维状能源器件。相关论文以“Flexible fibre-shaped fuel cells with gel-mediated internal pressure encapsulation”为题，发表在Nature Materials上，论文第一作者为Yuan Yongjiang, Liu Ziyang。
该电池的核心创新在于其采用的Yarn@gels结构——将棉纤维包裹在凝胶中，不仅作为燃料存储介质，还通过溶胀产生内向压力，确保各组件间紧密接触。图1a–b对比了传统外部压力封装和新型内部压力封装机制：后者利用Yarn@gels产生的径向膨胀力替代传统端板结构，实现了更均匀的界面压力和更紧凑的电池设计。图1c–d进一步展示了FDMFCs可编织成堆栈结构，并为负载供电，同时具备柔韧性、可裁剪和可重复加注的实用特性。
图1 | FDMFCs的结构与特性。 a, 外部压力封装示意图：利用端板向内传递夹紧力，以确保组件界面的最优接触。 b, FDMFCs内部压力封装的机制与相关电化学反应示意图。该策略利用Yarn@gels产生的溶胀力，从中心径向向外传递，确保组件界面良好接触。 c, 柔性FDMFCs编织成燃料电池堆并为负载供电的示意图。 d, FDMFCs的柔性、可裁剪和可加注特性示意图。
Yarn@gels的制备涉及多种单体与PEGDA的光聚合反应，形成具有协同交联网络的凝胶结构。扫描电镜图像（图2b–c）显示凝胶均匀包覆在纤维表面，显著提升了界面结合力和耐溶剂性能。该结构在12 M甲醇中溶胀率超过50%，吸收容量大于10 g/g，同时有效抑制甲醇渗透。分子模拟表明，凝胶与甲醇间存在强烈的氢键作用，使其具备优异的溶剂响应性和屏障功能（图2e–g）。此外，Yarn@gels在-20°C至70°C范围内机械性能稳定，经历一万次弯曲循环后应力衰减小于3%，界面无分层（图2h–j）。
图2 | Yarn@gels的合成与表征。 a, Yarn@gels结构示意图。 b, Yarn@gel的扫描电镜截面图像，显示其由棉纤维和凝胶层构成的多级结构。 c, 凝胶层的放大扫描电镜图像，显示聚合物凝胶在纤维表面的均匀覆盖。 d, 纱线、Yarn@gel和FDMFC截面的照片。 e, PDMA、PEA和PAM在水和甲醇中于25°C下的溶胀率。 f, Nafion 212膜与Gel–Nafion 212复合膜（Nafion膜一侧涂有100 μm凝胶层）的甲醇渗透性，测试室中甲醇浓度在30°C下持续监测。 g, 纱线和Yarn@gels与甲醇分子的静电和范德华作用能。 h, Yarn@gels在-20°C至70°C下的单调拉伸应力-应变曲线（应变速率50 mm/min）。 i, Yarn@gels在循环弯曲下的机械耐久性评估，量化循环加载后的峰值应力和应变。 j, 5 cm长Yarn@gels和原始纱线在25°C下从收集基材上剥离的力-位移曲线（应变速率50 mm/min）。
图3通过有限元模拟和实验验证了内部压力封装机制的有效性。非封装电池因界面存在间隙导致甲醇渗漏和性能下降，而采用Yarn@gels的电池在溶胀后产生约0.3 MPa的均匀界面压力（图3g–h），显著降低了内阻和电极反应阻力（图3i–j），使功率密度达到9.68 mW cm⁻²，比未封装电池提高4.4倍（图3k）。
图3 | FDMFCs中压力封装的机制。 a, 含纱线的FDMFCs示意图：加入甲醇溶液后，因纱线溶胀能力有限，组件间仍存在间隙。 b–c, 含纱线的FDMFCs中的应力分布（b）和甲醇分布（c）。 d, 含Yarn@gel的FDMFCs示意图：高溶胀性Yarn@gels有效消除组件间隙。 e–f, 含Yarn@gels的FDMFCs中的应力分布（e）和甲醇分布（f）。 g, 内含薄膜压力传感器的FDMFCs在25°C下注入12 M甲醇后的电阻和压力测量结果。 h, 使用压阻传感器进行FDMFCs压力监测的示意图及电池截面视图。 i, 不同封装压力下燃料电池的内阻。 j, 过电位数值模拟：非压力封装（NPE）-FDMFCs的阴极损失和欧姆损失高于内部压力封装（IPE）-FDMFCs。 k, 使用12 M甲醇在25°C下测试的FDMFCs的极化和功率密度曲线。
在性能测试中，FDMFCs表现出广泛的工作环境适应性。在不同温度（图4a）和湿度下都能稳定运行，尤其在-22°C低温环境下仍可实现5.89 mW cm⁻²的功率输出。弯曲测试表明，适度弯曲甚至能提升电池性能，180°弯曲1500次后仍保持94.7%的初始功率（图4b–c）。电池能量密度达161.36 Wh kg⁻¹，超越多数纤维电池体系。破坏性测试显示，即便被切断或穿刺，电池 segments 仍能正常运作（图4d–e），展现出优异的鲁棒性和模块化能力。
图4 | FDMFCs的性能与应用展示。 a, 不同温度下的功率密度和极化曲线。 b, 电化学阻抗谱显示弯曲可降低接触电阻和电荷转移电阻。 c, 在2 mA连续放电下经过2000次弯曲循环（运行3小时）的电压稳定性。 d, 由四个电池单元组成的FDMFC堆栈为电子钟供电。 e, 由两个串联单元组成的FDMFC堆栈为灯泡供电，即使被牙签穿刺和喷水仍正常工作。 f, 与以往研究中不同能源器件的能量密度、功率密度和充电时间对比。
此外，该电池模块可编织成网状或线状堆栈（图5a–b），输出功率超过250 mW。经过100次充放循环，电压保持率几乎无衰减（图5d），且可在多次变形下保持稳定发电（图5e），适用于穿戴纺织品和大规模能源系统。
图5 | FDMFCs的集成应用。 a, 由16 cm长FDMFCs编织成网状的电池堆栈照片。 b, 1 m长线性FDMFC堆栈照片。 c, 网状和线性FDMFC堆栈的功率密度和极化曲线。 d, FDMFC在200 mA负载下经过100次加注-放电循环的电压保持率。 e, FDMFC应用于服装中，经受弯曲、扭曲和卷绕的实际场景。
这项研究通过纤维结构和凝胶封装技术的创新，成功解决了柔性燃料电池在封装、接口可靠性和环境适应性方面的关键难题。FDMFCs不仅展现出卓越的综合性能，还具备良好的安全性和模块化潜力，为下一代高性能柔性电源的发展指明了方向，有望推动柔性电子、可穿戴设备乃至分布式能源系统的技术进步。
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