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⁻¹。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。(a), ASFBs的结构与应用示意图。(b), 浸润-固化策略形成的致密、共形电极-电解质界面（右）与表面固化策略形成的缺陷界面（左）的对比。(c), 采用“WIN”电解质的ASFB与已报道的 水系钠离子电池在能量密度和比容量方面的对比。(d), 随着交联密度增加，“WIN”电解质聚合物网络演化的示意图。 

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至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；而继续增加至4.8 wt.%时，ESW反而回落至3.0 V（图2a）。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（图2b）。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（图2c）。

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（图2d-f）。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%（图2g）。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。(a), 不同BEMA含量（0, 1.6, 3.2, 和4.8 wt.%）的“WIN”电解质的电化学稳定窗口。(b)和(c), 不同BEMA含量（0, 1.6, 3.2, 和4.8 wt.%）的“WIN”电解质的流变学分析(b)和FTIR光谱(c)。(d)和(e), 含有3.2 wt.% BEMA的“WIN”电解质的拉曼光谱(d)及O-H伸缩拉曼光谱的去卷积分析(e)。(f), 不同BEMA含量下不对称氢键结合(AS)、对称氢键结合(S)和非氢键结合(N)组分的比例。(g), 不同BEMA含量（0, 1.6, 3.2, 和4.8 wt.%）下的LF-NMR弛豫曲线，揭示了水的动力学行为。 

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。扫描电镜图像清晰地显示，浸润-固化方法形成的电极-电解质界面紧密且无缝隙，而表面固化样品则存在明显的空洞和缺陷（图3c）。电化学阻抗谱表明，浸润-固化样品的界面电阻显著更低（图3d）。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⁻¹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%（图3a）。

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（图3e-h）。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。(a), 采用浸润-固化和表面固化方法制备的ASFBs在充放电循环中的循环性能和库仑效率。(b), ASFBs在第1、10、50、100和200次循环的恒流充放电曲线。(c)和(d), 浸润-固化和表面固化ASFBs的横截面SEM图像(c)及相应的EIS图谱(d)。(e)至(g), 在“WIN”电解质中循环的PANI负极上SEI膜的XPS结果：初始、第10次和第30次循环时的F1s谱(e)，SEI中元素的定量原子比(f)，以及Ar⁺溅射0、1和3分钟后的Na1s谱(g)。(h), TOF-SIMS 3D渲染图，显示了SEI内包括NaF⁻和NaO⁻在内的各种离子的随深度空间分布。(i), 在1C到5C电流密度下的倍率性能。 

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100米的纤维电池（图4a）。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%（图4b）。基于此，组装的全聚合物纤维电池在不同弯曲角度（0至180°）下均能稳定充放电（图4c），并在12000次弯曲循环后仍保持78%的初始容量（图4d）。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4e-f）。

图4 | ASFBs的连续化制备、可规模化生产和机械鲁棒性。(a), ASFBs连续化制备装置的示意图。(b), 纤维电极的机械稳定性，在2500次扭转、弯曲和按压循环后，电阻保持率超过90%。(c), ASFBs在不同弯曲角度（0, 45, 90, 135, 180°）下的循环稳定性。(d), ASFBs在90°固定角度下经历重复弯曲循环的电化学性能。(e,f), ASFB纺织品的照片，展示了其大规模生产的潜力。 

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（图5a-c）。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（图5d）。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。(a), 智能健康管理衬衫的示意图，ASFB纺织品被集成用于为纤维传感器供电。(b), 智能衬衫的系统框图和健康监测界面。(c), (i) 集成了ASFB纺织品的智能衬衫照片；(ii) 传统软包柔性电池与基于ASFB的纺织电池的透气性对比。(d), 由ASFB纺织品供电的多功能纤维生物传感器实时监测到的汗液生物标志物信号。

综上所述，该研究通过“水在网络中”电解质的设计，成功揭示了交联密度对水活性的非单调调控机制，并通过机械互锁界面工程解决了纤维电池的界面失效难题。由此构建的全聚合物钠离子纤维电池兼具高能量密度、超长弯曲寿命和可规模化生产等优势，成功实现了在自供电智能健康监测衣物中的应用。这项工作为通过聚合物网络结构调控受限水的热力学与动力学提供了通用策略，为下一代安全、可持续、可穿戴能源系统的设计开辟了新路径。