柔性电子技术的快速发展持续推动着可穿戴设备、电子皮肤及低空经济等领域的创新。这反过来对驱动这些设备的锂离子电池提出了前所未有的要求：这些电池不仅需要具备优异的机械柔韧性以适应多种变形场景，并实现高能量密度以确保长使用寿命。然而，实现这些目标面临一个根本性的技术挑战：在保持高活性材料负载的同时，如何在反复变形过程中维持机械完整性。本文提出了一种电极设计策略：以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作为无氟粘合剂框架，构建自支撑的三维多孔纳米纤维电极，为实现下一代高性能、环境友好的柔性电子产品提供了关键材料基础与可行的技术路径。

近日，华南理工大学张桂珍教授与王晋副教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Synergy of Flexibility and High Mass Loading in Li-Ion Batteries via 3D Nanofiber Skeleton Electrode”的观点文章。本文分析了基于超高分子量聚乙烯（UHMWPE)三维多孔纳米纤维骨架构筑无氟自支撑电极，通过面 - 面包覆与连续网络结构实现性能强化，系统阐明了该策略在界面稳定性、离子传输效率、结构力学稳健性等方面的提升机制与最新研究进展。

在柔性电子、可穿戴设备、柔性显示及软体机器人快速发展的背景下，锂离子电池对弯曲耐受性、高能量密度、环境友好性提出了前所未有的严苛要求。然而，传统电极普遍使用含氟粘结剂 PVDF，不仅存在环境风险，更在机械弯折下易出现开裂、粉化、脱落等问题；同时，高负载条件下离子传输受阻、界面稳定性差、循环寿命快速衰减等问题始终难以解决。受自然界蜘蛛丝高强度缠结与包覆机制的启发，本研究采用长链 UHMWPE 作为多功能无氟粘结剂，通过挤出流延耦合双向拉伸工艺，如图1a-b所示，构建出连续均匀的三维多孔纳米纤维骨架，使粘结剂从传统 PVDF 的 “点–点接触” 升级为 “面–面包覆”，实现对活性颗粒的全方位包裹与稳固锚固。这种结构不仅彻底摆脱含氟材料，符合欧盟电池法规的绿色化趋势，更赋予电极本征柔性与结构稳定性，突破了柔性与高负载难以兼容的核心难题。

图1：仿生3D纳米纤维骨架电极设计及其性能表征。

在电化学性能方面，UPE 基电极实现了高负载与高稳定的统一。在10 mg cm⁻²面负载下，电极在1C倍率循环 200圈后容量保持率仍高达87%，远优于PVDF电极在相同条件下120圈即失效的表现。在5C高倍率充放电下，最优组分电极仍可释放95 mAh g⁻¹以上的可逆容量，倍率恢复性能出色。通过GITT、EIS、DRT 等多种表征结合分析证实，如图2i所示，UPE三维网络可将锂离子扩散系数提升至2.1×10⁻¹¹ cm² s⁻¹，界面阻抗更低且循环过程中保持稳定，电极/电解液界面（CEI）致密均匀、不持续增厚，副反应被显著抑制。更具突破的是，该体系可耐受超高面负载：在8 mg cm⁻²负载下稳定循环750周，在35 mg cm⁻²极限超高负载下仍可稳定运行，如图3c所示，真正实现了柔性与高负载的协同。

图2：(a) 基于 UPE 的电极片在1C倍率下的循环性能；(b) 不同成分的 UPE 基电极片及 PVDF 基电极片在0.2C至5C倍率范围内的对应倍率性能；(c) 离子电导率；(d) PVDF 基电极片与(e) UPE1010基电极片在不同循环次数下的充放电曲线；(f) UPE 基与 PVDF 基电极片的循环伏安（CV）曲线；(g) 不同成分 UPE 基电极片的孔径分布；(h) 不同成分 UPE 基电极片与 PVDF 基电极片的平均孔径；(i) 采用UPE1010基与 PVDF 基电极片组装的半电池的 GITT 曲线。

此外，该策略展现出优异的材料普适性，可成功适配磷酸铁锂（LFP）正极、石墨负极、NCM811 三元正极等多种电极体系，如图3e-f所示。与PVDF体系相比，UPE -石墨负极在0.3C 下循环250圈容量保持率接近100%，库仑效率高达 99.97%；UPE-NCM811正极同样表现出高可逆容量与优异长循环稳定性，证明 UHMWPE 粘结剂可广泛适用于正负极体系，具有极强的扩展价值。

图3：(a)不同质量负载下 UPE 基电极片的扫描电子显微镜（SEM）图像及(b)力学性能；(c)不同质量负载 UPE 基电极片在1C倍率下的循环性能；(d)选定循环次数下相应的充放电曲线；(e) UPE -石墨与 PVDF -石墨电极在0.3C倍率下的循环稳定性；(f)0.2C至2C倍率范围内的倍率性能；(g) UPE 基电极片与当前主流代表性电极在循环性能及机械强度方面的对比。

为进一步验证其实际应用潜力，研究团队组装了UPE-LFP//UPE -石墨全柔性软包电池。该电池以正极活性物质计算的理论能量密度高达413.5 Wh kg⁻¹，在 0.3C 倍率下循环250圈容量保持率仍达85%，平均库仑效率接近 99.8%。在弯曲、扭转、S 型弯折、卷绕、折叠等一系列严苛机械形变测试中，电池均可稳定输出容量，无明显衰减，且能持续点亮 LED屏，如图4h所示；钉刺实验中无热失控、无冒烟、无起火，安全性能突出。未来有望拓展至硅负极、硫正极等高容量体系，为下一代高性能柔性储能器件提供技术思路。

图4：极片柔性测试以及UPE基软包电池性能测试

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105188

人物简介：

张桂珍，华南理工大学教授，博士生导师。华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心瞿金平院士研究团队的核心成员，担任高分子先进制造教育部重点实验室副主任和高分子先进制造研究所副所长。近年来一直致力于有机-无机复合新能源膜材料先进制造。主持国家重点研发计划课题1项和子课题2项、国家自然科学基金项目2项、广东省自然科学基金项目3项、企业委托项目7项等。获教育部科学研究优秀成果工程技术（发明类）一等奖1项，广东省技术发明奖一等奖1项和中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖1项，申请中国发明专利30余项，申请国际PCT专利4项，已获得中国发明专利授权20余项，获国际发明专利授权3项，在Matter、Materials Horizons、Journal of Energy Storage等国外权威刊物上发表论文30余篇。

王晋，华南理工大学机械与汽车工程学院副教授，博士生导师。近年来主要围绕智能形变材料/结构/系统的设计制造及其在软体驱动、柔性传感、能量收集与储存等领域的应用开展相关研究。主持国家自然科学基金青年项目1项、广东省自然科学基金面上项目2项、博士后科学基金面上项目1项、广州市科学技术研究项目1项。作为骨干成员参与国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划青年科学家项目等国家级项目5项。申请中国发明专利7项，已获授权中国发明专利4项，在International Journal of Plasticity、Macromolecules、Advanced Fiber Materials、Mechanics of Materials等权威刊物上发表论文20余。