隨著柔性可穿戴電子設備的快速發展，傳統剛性電池因其不透氣、不安全且難以集成到衣物中而面臨巨大挑戰。基于纖維結構的電池雖展現出良好前景，但其實際應用長期受限于液態電解質的泄漏風險和柔性固態電解質電化學窗口窄、界面不穩定的雙重困境。如何在保證安全與舒適的前提下，為可穿戴設備提供高能量密度且耐用的電源，成為該領域亟待突破的關鍵瓶頸。

針對這一挑戰，哈爾濱工業大學（深圳）何思斯教授團隊領銜的研究人員開發出一種名為“水在網絡中”（WIN）的新型電解質，并基于此成功構建了高性能全聚合物鈉離子纖維電池。通過精確調控聚合物網絡的交聯密度，該電解質有效限制了水的活性，將電化學穩定窗口顯著擴展至3.4 V，使電池能量密度達到92.4 Wh kg?1。研究團隊進一步采用原位界面聚合策略，形成了機械互鎖的電極-電解質界面，有效抑制了水誘導的界面分層。該纖維電池在經歷12000次彎曲循環后仍能保持78%的容量，并可無縫編織到衣物中，為實時健康監測提供動力。相關論文以“Energetic All-Polymer Fiber Batteries Enabled by Interface-Interlocked Water-In-Network Electrolytes for Wearable Electronics”為題，發表在Advanced Materials上。

圖1 | 具有“WIN”電解質的ASFBs的設計概念與界面工程。(a), ASFBs的結構與應用示意圖。(b), 浸潤-固化策略形成的致密、共形電極-電解質界面（右）與表面固化策略形成的缺陷界面（左）的對比。(c), 采用“WIN”電解質的ASFB與已報道的 水系鈉離子電池在能量密度和比容量方面的對比。(d), 隨著交聯密度增加，“WIN”電解質聚合物網絡演化的示意圖。

該研究的核心創新在于發現了聚合物網絡中一種獨特的“水限域”效應。研究人員通過改變交聯劑BEMA的含量（0至4.8 wt.%），系統調控了聚合物網絡的結構。令人意外的是，電解質的電化學穩定窗口（ESW）隨著交聯密度增加呈現先升后降的非單調變化：當BEMA含量為3.2 wt.%時，ESW達到最高的3.4 V；而繼續增加至4.8 wt.%時，ESW反而回落至3.0 V（圖2a）。流變學測試證實，隨著交聯劑增加，材料的儲能模量（G'）單調上升，網絡結構逐漸致密（圖2b）。傅里葉變換紅外光譜分析顯示，在最佳交聯密度下，水的O-H伸縮振動峰向高波數移動，表明氫鍵作用減弱；而過高的交聯密度導致峰位回移，意味著水分子重新聚集形成類體相水簇（圖2c）。

為了深入揭示水限域效應的微觀機制，研究團隊結合拉曼光譜和低場核磁共振技術進行了分析。拉曼光譜的O-H伸縮振動峰擬合結果表明，在3.2 wt.% BEMA條件下，非氫鍵水的比例達到最大值，而強氫鍵水比例顯著下降（圖2d-f）。這表明適度的網絡交聯有效破壞了體相水的連續氫鍵網絡，降低了水的活性。低場核磁共振的橫向弛豫時間（T?）分布進一步顯示，在最佳交聯密度下，體相水的峰幾乎完全消失，大部分水轉化為受限態，其面積分數僅剩3%（圖2g）。相反，過高的交聯密度（4.8 wt.%）會限制聚合物溶脹，迫使水分子排出并重新聚集，導致體相水比例回升，解釋其電化學窗口變窄的原因。

圖 2 | “WIN”電解質中的水限域機制。(a), 不同BEMA含量（0, 1.6, 3.2, 和4.8 wt.%）的“WIN”電解質的電化學穩定窗口。(b)和(c), 不同BEMA含量（0, 1.6, 3.2, 和4.8 wt.%）的“WIN”電解質的流變學分析(b)和FTIR光譜(c)。(d)和(e), 含有3.2 wt.% BEMA的“WIN”電解質的拉曼光譜(d)及O-H伸縮拉曼光譜的去卷積分析(e)。(f), 不同BEMA含量下不對稱氫鍵結合(AS)、對稱氫鍵結合(S)和非氫鍵結合(N)組分的比例。(g), 不同BEMA含量（0, 1.6, 3.2, 和4.8 wt.%）下的LF-NMR弛豫曲線，揭示了水的動力學行為。

在解決界面穩定性問題上，該研究采用了一種巧妙的“浸潤-固化”策略。與傳統的表面固化方法不同，研究者先將多孔的PANI/CNT纖維電極浸入低粘度的電解質前驅體中，確保其充分滲透后再進行紫外光固化。掃描電鏡圖像清晰地顯示，浸潤-固化方法形成的電極-電解質界面緊密且無縫隙，而表面固化樣品則存在明顯的空洞和缺陷（圖3c）。電化學阻抗譜表明，浸潤-固化樣品的界面電阻顯著更低（圖3d）。得益于這一穩定的機械互鎖界面，組裝的鈉離子纖維電池在1C倍率下實現了115.5 mAh g?1的高比容量，并在330次循環后仍保持74%的初始容量，平均庫侖效率高達96%；相比之下，表面固化器件的容量在100次循環后僅剩42%（圖3a）。

研究進一步分析了該電池的工作機制與界面化學。循環伏安法分析表明，該全聚合物電池的b值為0.74，呈現擴散控制和電容貢獻的混合儲電機理。通過原位傅里葉變換紅外光譜，研究人員證實了聚苯胺電極在充放電過程中發生了可逆的雙離子摻雜機制（TFSI?和Na?）。更重要的是，X射線光電子能譜和飛行時間二次離子質譜深度分析揭示，在WIN電解質作用下，聚苯胺負極表面形成了一層成分梯度分布的固態電解質界面膜（SEI）：無機物（如NaF）主要分布在外層，而有機物（如碳酸鹽）則富集在與電極接觸的內層（圖3e-h）。這種獨特的梯度結構有效抑制了水的寄生反應，并緩沖了電極的體積變化，保證了長循環穩定性。

圖3 | ASFBs的電化學性能及界面化學。(a), 采用浸潤-固化和表面固化方法制備的ASFBs在充放電循環中的循環性能和庫侖效率。(b), ASFBs在第1、10、50、100和200次循環的恒流充放電曲線。(c)和(d), 浸潤-固化和表面固化ASFBs的橫截面SEM圖像(c)及相應的EIS圖譜(d)。(e)至(g), 在“WIN”電解質中循環的PANI負極上SEI膜的XPS結果：初始、第10次和第30次循環時的F1s譜(e)，SEI中元素的定量原子比(f)，以及Ar?濺射0、1和3分鐘后的Na1s譜(g)。(h), TOF-SIMS 3D渲染圖，顯示了SEI內包括NaF?和NaO?在內的各種離子的隨深度空間分布。(i), 在1C到5C電流密度下的倍率性能。

除了優異的電化學性能，該纖維電池還展現出卓越的機械柔韌性和大規模生產的潛力。研究團隊搭建了連續化制備裝置，成功生產出長度超過100米的纖維電池（圖4a）。纖維電極在經受2500次扭曲、彎曲和按壓測試后，電阻保持率仍超過90%（圖4b）。基于此，組裝的全聚合物纖維電池在不同彎曲角度（0至180°）下均能穩定充放電（圖4c），并在12000次彎曲循環后仍保持78%的初始容量（圖4d）。這種出色的耐久性使得纖維電池可以被隨意打結、編織，并集成到透氣性良好的智能衣物中（圖4e-f）。

圖4 | ASFBs的連續化制備、可規模化生產和機械魯棒性。(a), ASFBs連續化制備裝置的示意圖。(b), 纖維電極的機械穩定性，在2500次扭轉、彎曲和按壓循環后，電阻保持率超過90%。(c), ASFBs在不同彎曲角度（0, 45, 90, 135, 180°）下的循環穩定性。(d), ASFBs在90°固定角度下經歷重復彎曲循環的電化學性能。(e,f), ASFB紡織品的照片，展示了其大規模生產的潛力。

作為概念驗證，研究人員將這種纖維電池編織到一件智能襯衫的側縫中，用于驅動集成在腋窩區域的多功能纖維生物傳感器（圖5a-c）。該傳感器能夠實時監測汗液中的Na?、K?、pH值以及乳酸、尿酸和葡萄糖等多種生物標志物，并通過無線模塊將數據傳輸至接收端（圖5d）。重要的是，與傳統的不可透氣袋式電池不同，該全聚合物纖維電池編織的智能織物保持了優異的高空氣透過性，解決了可穿戴設備長期存在的穿著舒適性問題。

圖5 | ASFB紡織品在健康監測中的系統集成。(a), 智能健康管理襯衫的示意圖，ASFB紡織品被集成用于為纖維傳感器供電。(b), 智能襯衫的系統框圖和健康監測界面。(c), (i) 集成了ASFB紡織品的智能襯衫照片；(ii) 傳統軟包柔性電池與基于ASFB的紡織電池的透氣性對比。(d), 由ASFB紡織品供電的多功能纖維生物傳感器實時監測到的汗液生物標志物信號。

綜上所述，該研究通過“水在網絡中”電解質的設計，成功揭示了交聯密度對水活性的非單調調控機制，并通過機械互鎖界面工程解決了纖維電池的界面失效難題。由此構建的全聚合物鈉離子纖維電池兼具高能量密度、超長彎曲壽命和可規模化生產等優勢，成功實現了在自供電智能健康監測衣物中的應用。這項工作為通過聚合物網絡結構調控受限水的熱力學與動力學提供了通用策略，為下一代安全、可持續、可穿戴能源系統的設計開辟了新路徑。