随着柔性可穿戴电子设备的快速发展，传统刚性电池因不透气、不安全且难以集成到衣物中而面临巨大挑战。基于纤维结构的电池虽展现出良好前景，但在实际应用中，其长期受限于液态电解质泄漏风险和柔性固态电解质电化学窗口窄、界面不稳定的双重困境。如何在保证安全与舒适的前提下，为可穿戴设备提供高能量密度且耐用的电源，成为该领域亟待突破的关键瓶颈。

针对这一挑战，哈尔滨工业大学（深圳）何思斯教授团队领衔的研究人员开发出一种名为“水在网络中”（WIN）的新型电解质，并基于此成功构建了高性能全聚合物钠离子纤维电池。通过精确调控聚合物网络的交联密度，该电解质有效限制了水的活性，将电化学稳定窗口显著扩展至3.4 V，使电池能量密度达到92.4 Wh/kg。研究团队进一步采用原位界面聚合策略，形成了机械互锁的电极-电解质界面，有效抑制了水诱导的界面分层。该纤维电池在经历12000次弯曲循环后仍能保持78%的容量，并可无缝编织到衣物中，为实时健康监测提供动力。相关论文以“Energetic All-Polymer Fiber Batteries Enabled by Interface-Interlocked Water-In-Network Electrolytes for Wearable Electronics”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 具有“WIN”电解质的ASFBs的设计概念与界面工程

该研究的核心创新在于发现了聚合物网络中一种独特的“水限域”效应。研究人员通过改变交联剂BEMA的含量（0~4.8 wt.%），系统调控了聚合物网络的结构。令人意外的是，电解质的电化学稳定窗口（ESW）随着交联密度增加呈现先升后降的非单调变化，当BEMA含量为3.2 wt.%时，ESW达到最高的3.4 V。流变学测试证实，随着交联剂增加，材料的储能模量（G'）单调上升，网络结构逐渐致密。傅里叶变换红外光谱分析显示，在最佳交联密度下，水的O-H伸缩振动峰向高波数移动，表明氢键作用减弱；而过高的交联密度导致峰位回移，意味着水分子重新聚集形成类体相水簇。

为了深入揭示水限域效应的微观机制，研究团队结合拉曼光谱和低场核磁共振技术进行了分析。拉曼光谱的O-H伸缩振动峰拟合结果表明，在3.2 wt.% BEMA条件下，非氢键水的比例达到最大值，而强氢键水比例显著下降。这表明适度的网络交联有效破坏了体相水的连续氢键网络，降低了水的活性。低场核磁共振的横向弛豫时间（T₂）分布进一步显示，在最佳交联密度下，体相水的峰几乎完全消失，大部分水转化为受限态，其面积分数仅剩3%。相反，过高的交联密度（4.8 wt.%）会限制聚合物溶胀，迫使水分子排出并重新聚集，导致体相水比例回升，解释其电化学窗口变窄的原因。

图 2 “WIN”电解质中的水限域机制

在解决界面稳定性问题上，该研究采用了一种巧妙的“浸润-固化”策略。与传统的表面固化方法不同，研究者先将多孔的PANI/CNT纤维电极浸入低粘度的电解质前驱体中，确保其充分渗透后再进行紫外光固化。得益于这一稳定的机械互锁界面，组装的钠离子纤维电池在1C倍率下实现了115.5 mAh/g的高比容量，并在330次循环后仍保持74%的初始容量，平均库仑效率高达96%；相比之下，表面固化器件的容量在100次循环后仅剩42%。

研究进一步分析了该电池的工作机制与界面化学。循环伏安法分析表明，该全聚合物电池的b值为0.74，呈现扩散控制和电容贡献的混合储电机理。通过原位傅里叶变换红外光谱，研究人员证实了聚苯胺电极在充放电过程中发生了可逆的双离子掺杂机制（TFSI⁻和Na⁺）。更重要的是，X射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱深度分析揭示，在WIN电解质作用下，聚苯胺负极表面形成了一层成分梯度分布的固态电解质界面膜（SEI）：无机物（如NaF）主要分布在外层，而有机物（如碳酸盐）则富集在与电极接触的内层。这种独特的梯度结构有效抑制了水的寄生反应，并缓冲了电极的体积变化，保证了长循环稳定性。

图3 ASFBs的电化学性能及界面化学

除了优异的电化学性能，该纤维电池还展现出卓越的机械柔韧性和大规模生产的潜力。研究团队搭建了连续化制备装置，成功生产出长度超过100m的纤维电池。纤维电极在经受2500次扭曲、弯曲和按压测试后，电阻保持率仍超过90%。基于此，组装的全聚合物纤维电池在不同弯曲角度（0~180°）下均能稳定充放电，并在12000次弯曲循环后仍保持78%的初始容量。这种出色的耐久性使得纤维电池可以被随意打结、编织，并集成到透气性良好的智能衣物中。

图4 ASFBs的连续化制备、可规模化生产和机械鲁棒性

作为概念验证，研究人员将这种纤维电池编织到一件智能衬衫的侧缝中，用于驱动集成在腋窝区域的多功能纤维生物传感器。该传感器能够实时监测汗液中的Na⁺、K⁺、pH值以及乳酸、尿酸和葡萄糖等多种生物标志物，并通过无线模块将数据传输至接收端。重要的是，与传统的不可透气袋式电池不同，该全聚合物纤维电池编织的智能织物保持了优异的高空气透过性，解决了可穿戴设备长期存在的穿着舒适性问题。

图5 ASFB纺织品在健康监测中的系统集成

（来源：高分子科学前沿）