一、【科学背景】
随着便携式可穿戴设备的快速发展，科研工作者们已经开发出许多供可穿戴设备使用的柔性电源，包括柔性太阳能电池、超级电容器以及锂离子电池等。尽管该领域正在取得持续进步，但柔性电源研发对光源的依赖、对更高能量密度和快速充电能力的需求在不断提升，因此，这强调了当下柔性电源技术创新的必要性。
值得注意的是，燃料电池是一种高效的电化学装置，可将燃料的化学能转化为电能，具有高能量密度和快速充电能力，这使其成为未来柔性能源供应方案中潜在的候选者。然而，刚性组件、封装压力要求、燃料密封存储这些难题，不断制约着柔性燃料电池的发展。尽管已经有许多研究致力于解决上述难题，但柔性燃料电池设计仍然面临着用于结构支撑的刚性材料结构和稳定性以及一定范围内功率密度限制的持续挑战。因此，迫切需要开发出高性能的柔性燃料电池，这种燃料电池能够独立于刚性部件而发挥作用。
二、【创新成果】
基于上述挑战，近期苏州大学严锋教授、孙哲副研究员和东华大学朱美芳院士团队合作，提出了一种自适应内压封装策略，该策略利用了编织棉纤维在凝胶基质中的动态溶胀行为，制备出纤维状甲醇燃料电池（FDMFC）。该策略实现了同时的界面自增强和压力调节，这些柔性燃料电池可在-22 °C至70 °C的宽温度范围内工作，具有可切割性、防水性和快速加注能力。此外，即使在经受2,000次连续弯曲循环后，燃料电池仍保持稳定的放电性能。能量密度为161.36 Wh kg-1，这些纤维状甲醇燃料电池的能量密度超过了典型纤维的能量密度，该技术缓解了与燃料电池的轻量化和灵活应用相关的许多技术挑战，可用于制造燃料电池堆为高能量柔性装置供电。
图1纤维状甲醇燃料电池（FDMFC）的结构和特性；© Springer Nature Limited 2025
研究人员通过创新的材料和结构设计制备了柔性FDMFC，如图1。 FDMFC的结构由几个基本组成部分组成：用于甲醇储存的纱线@凝胶（Yarn@gels），用于初始封装的甲醇储存，聚酯纤维和尼龙网格。发生在FDMFC中的反应包括涉及固体，液体和气相中物质的氧化还原过程。具体而言，甲醇和氧气在阳极处经过电化学氧化，并在阴极下还原，分别导致产生二氧化碳，水和质子（H+）。这些质子通过质子传导机制从阳极迁移到拟离子膜的阴极侧。同时，有效利用Yarn@gels产生的溶胀力，以增强FDMFC的封装。纤维结构确保整个系统中封装压力的均匀分布。因此，FDMFC和FDMFC堆栈已为各种电子设备提供动力（图1C）。在这项工作中制造的FDMFC不仅表现出非凡的柔韧性，而且表现出可切碎且可重复的特性（图1D）。
图2 Yarn@gels的合成与表征；© Springer Nature Limited 2025
Yarn@gels的制备是通过多种单体与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的光聚合反应实现的，并且形成了具有协同交联网络的凝胶结构。如图2所示，研究人员通过扫描电镜图像观察了凝胶结构的形貌，图像显示凝胶均匀包覆在纤维表面，这种形貌有效增强了界面结合力和耐溶剂性能，能够有效抑制甲醇渗透。研究人员通过分子模拟实验证明，该凝胶与甲醇间存在强烈的氢键作用，因此，这使它具备优异的溶剂响应性和屏障功能。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3 FDMFC压力封装机理研究； © Springer Nature Limited 2025
研究人员使用Yarn@gels作为核心组分制造FDMFC，其结构如图3所示。在燃料吸收之后，Yarn@gels经历体积膨胀，产生膨胀力，从而建立稳固的界面接触。这种动态响应与静态纱线基组装件形成了根本性的对比，静态纱线基组装件由于接触压力不足而具有界面分层的风险。通过对机械-电化学耦合现象的系统有限元建模，研究人员进一步通过实验验证了内部压力封装机制的有效性。采用Yarn@gels的电池克服了界面间隙导致性能下降的难题，在溶胀后产生约0.3 MPa的均匀界面压力，使得内阻和电极反应阻力明显降低，并且功率密度达到9.68 mW cm⁻²，比未封装电池提高4.4倍。
图4 FDMFC的性能测试；© Springer Nature Limited 2025
如图5所示，该电池模块可能够编织成网状或线状堆栈，输出功率超过250 mW。研究人员进行实验证明，该电池经过100次充放循环，电压保持率几乎无衰减，在多次变形下还能够保持稳定发电。FDMFC的模块化设计实现了可扩展性，当整合到纺织品中时，编织的FDMFC在机械变形（弯曲，扭曲和滚动）下保持稳定的操作，突出了在各种现实世界应用的适应性，从可穿戴电子产品到大规模能源系统。
图5 FDMFC的集成；© Springer Nature Limited 2025
该研究报道了一种凝胶介导的新型内压力封装技术，制备了柔性的纤维状高效燃料电池。文章以“Flexible fibre-shaped fuel cells with gel-mediated internal pressure encapsulation”为题发表在国际顶级期刊Nature Materials上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，研究人员在这项研究中，使用纤维状结构和Yarn@gels来制造柔性燃料电池。尽管使用了完全柔性的材料，但实现了有效的压力封装，确保了紧密的界面接触。特别是，FDMFC在宽的工作温度范围内仍表现出操作完整性。重要的是，即使在切断后，每个节段甚至仍能保持功能，FDMFC的适应性、可切割性和整体灵活性增强了其操作的安全性，扩展了其在各种应用中的多功能性，展现出出色的应用前景，并且为未来柔性燃料电池的设计指明了方向。
文献链接：Flexible fibre-shaped fuel cells with gel-mediated internal pressure encapsulation，2025，https://doi.org/10.1038/s41563-025-02319-2）
本文由LWB供稿。
