复旦大学彭慧胜院士团队王兵杰研究员、赵琛‌研究员提出一种基于动态沉积化学的“无电极”纤维电池（AELFB），将活性物质直接溶解于电解液中，彻底摒弃了传统预涂覆电极。这一设计令活性材料在充放电过程中按需在集流体表面可逆沉积/溶解（图1b），极大提升了空间利用率。最终，该电池以130微米的超细直径实现了612 Wh/L的体积能量密度，动态刚度较传统纤维电池降低了三个数量级（30 N/m），成功兼容了高储能与超柔韧两大特性。

相关论文以“An Electrode-Less Fiber Battery With 600 Wh/L-Level Volumetric Energy Density Enabled by Dynamic Deposition Chemistry”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 | 无电极纤维电池的设计与机制 (a) 预涂覆纤维电池（PFB）与无电极纤维电池（AELFB）的结构构型示意图。 (b) AELFB在充电和放电过程中的电化学氧化还原过程。 (c) 无电极纤维电池与已报道纤维电池的体积能量密度对比。 

结构设计与可逆反应机制

研究团队从氧化还原电对的选择入手，为“无电极”架构搭建了舞台。正极采用Mn²⁺/MnO₂电对（电位1.23 V vs. SHE），负极采用Cu²⁺/Cu电对（电位0.34 V vs. SHE），两者在酸性电解液中展现出高电压、快速动力学和无枝晶沉积的优势。集流体的设计同样关键——阴极使用实验室自制的碳纳米管（CNT）纤维，其高石墨化质量、丰富的含氧官能团和分级多孔结构，为MnO₂提供了大量低势垒成核位点，增强了界面附着力并容纳了体积膨胀；阳极则直接采用裸铜丝，实现致密均匀的铜沉积，避免了枝晶刺穿隔膜的风险。

在充放电过程中，Cu²⁺和Mn²⁺在电极表面发生可逆的沉积与溶解：充电时，负极发生Cu²⁺得电子生成Cu的还原反应，正极发生Mn²⁺失电子生成MnO₂的氧化反应；放电时，负极铜溶解为Cu²⁺，正极MnO₂还原为Mn²⁺。X射线衍射（XRD）图谱证实，充电后阴极出现β-MnO₂特征峰，放电后这些峰完全消失，表明了沉积/溶解的高度可逆（图2a）。X射线光电子能谱（XPS）中Mn 3s和Mn 2p信号的周期性出现与消失（图2b），以及拉曼光谱中640 cm⁻¹处β-MnO₂的A₁g振动模的显现（图2c），均进一步验证了这一可逆过程。值得注意的是，沉积出的MnO₂结晶度较低、缺陷较多，这种看似不利的结构反而提供了更多活性位点和缩短的离子扩散路径，加速了反应动力学。

显微表征则从直观形貌上证实了可逆过程。高分辨透射电镜（HRTEM）显示，充满电的阴极表面形成了多晶MnO₂纳米岛，晶格条纹对应β-MnO₂的（100）、（010）和（110）晶面（图2d），能谱确认其由锰和氧组成；而放电后这些纳米结构几乎完全溶解，晶格条纹消失，为沉积-溶解机制提供了确凿的形貌证据。阳极一侧，扫描电镜（SEM）显示，在优化的酸性电解液中，铜沉积呈现光滑无枝晶的形貌（图2e），XRD确认沉积物为纯金属铜，无氧化亚铜副产物（图2f），确保了高法拉第电荷效率和高密度、高导电性的沉积层。经过200次循环后，MnO₂沉积仍保持约20 nm的均匀纳米颗粒，无局部过度生长或脱落，近完全溶解，结构完整性得以维持（图2g），这归功于沉积-溶解机制的“自修复”特性，避免了传统插层材料累积结构损伤的弊端。

图2 | 动态沉积-溶解化学的机理研究 (a) 不同充放电状态下阴极的XRD图谱。 (b) 不同充放电状态下阴极的Mn 2p XPS光谱。 (c) 不同充放电状态下阴极的拉曼光谱。 (d) 充满电阴极的高分辨透射电镜（HRTEM）图像（插图为快速傅里叶变换（FFT）图案）。 (e) 不同电解液中阳极的扫描电镜（SEM）图像。 (f) 阳极在不同状态下的XRD图谱。 (g) 200次循环后阴极的SEM图像。 

电化学性能与电解液优化

电解液的酸度对性能至关重要（图3a）。研究发现，当硫酸浓度从0.1 M增加到0.5 M时，放电容量逐步提升（图3b）；但当浓度升至0.8 M时，过高质子浓度抑制了Mn³⁺中间体完全氧化为MnO₂，导致部分Mn³⁺积聚于电解液中，反而损失了可逆容量。因此，0.5 M H₂SO₄ + 0.3 M CuSO₄ + 0.3 M MnSO₄的优化配方兼顾了高容量、优异循环稳定性和最高库仑效率（图3c）。该电解液室温存放30天后，离子浓度几乎不变，装配的电池容量与新制电解液几乎一致；充满电的电池开路电压7天后仍保持95%以上，自放电率仅从0.5%升至1.2%，显示出优异的化学稳定性和低自放电特性。电化学阻抗谱显示，无电极构型因消除了活性材料与集流体间的界面阻抗，界面电阻在整个循环过程中几乎保持恒定（图3d）。

该电池的容量不再受电极物理体积或质量限制，仅需调节电解液中活性物质浓度即可在0.25至2.0 mAh/cm范围内自由调控，库仑效率始终高于95%，沉积效率达99.6%（图3e）。得益于低界面电阻和抑制的析氢副反应，电池在0.1 C至10 C的宽倍率范围内表现出优异的倍率性能（图3f），在1 C和10 C倍率下均能稳定循环800次（图3g、h）。在20 C超高倍率下仍能稳定运行近500次，库仑效率与10 C相当，展示了极高功率输出能力。基于完全组装器件总质量62.4 mg计算，该纤维电池的质量比能量为12.5 Wh/kg。

图3 | AELFBs的电化学性能 (a) 循环伏安（CV）曲线。 (b) 放电电压曲线。 (c) 不同酸浓度（0.1至0.5 M）电解液中AELFBs在1 C倍率下的循环性能。 (d) AELFBs在不同循环状态下的电化学阻抗谱（EIS）图。 (e) AELFBs在不同容量（0.25−2.0 mAh/cm）下的放电电压曲线。 (f) AELFBs在0.1 C至10.0 C不同倍率下的容量保持率。 (g) 1 C倍率和(h) 10 C倍率下AELFBs的循环性能。 

机械柔韧性与应用展示

机械柔韧性是可穿戴电源的另一关键指标（图4a）。传统预涂覆纤维电池的动态刚度高达3×10⁴ N/m，而该无电极纤维电池因直径仅130 μm（约为前者的六分之一），动态刚度仅为30 N/m，在不同频率和循环次数下均降低了三个数量级（图4b、c）——佩戴时几乎无异物感。在弯曲测试中（图4d），电池的电压曲线保持稳定（图4e），容量保持率无明显衰减（图4f），在拉伸、扭转等复杂形变下同样表现稳定，能稳定点亮LED灯带。该纤维电池在循环过程中始终保持约600 Wh/L的高体积能量密度（图4g）。研究团队进一步将纤维电池编织进智能手表的表带中（图4h），成功替代了传统的刚性电池。极细的直径使其与织物完美融合，在提供高能量供应的同时显著提升了佩戴舒适度，真正实现了从“穿戴设备”到“穿戴纺织品”再到“织物本身就是电池”的跨越。

图4 | AELFBs的柔韧性及应用 (a) 动态力学分析（DMA）示意图。 (b) 不同频率和(c)不同循环次数下AELFBs与预涂覆纤维电池的DMA曲线。 (d) 弯曲测试示意图。 (e) 弯曲过程中的电压曲线和(f)容量保持率。 (g) AELFBs循环过程中的体积能量密度。 (h) 由AELFBs表带供电的智能手表照片。

总结与展望

这项研究开创了纤维电池设计的全新范式：利用动态沉积化学构建的无电极架构，成功解耦了体积能量密度与机械柔韧性之间的长期矛盾。通过电解液的精准调控和沉积机制的优化，该电池在612 Wh/L的高能量密度下，同时实现了130微米超细直径、30 N/m超低动态刚度和800次以上的高倍率稳定循环。这一策略不仅为开发安全、高能的柔性电源提供了全新思路，更展现了“无电极”构型作为通用设计平台的潜力，有望通过纺织和编织工艺真正融入衣物，推动可穿戴电子迈向“无所不在”的未来。