撰文:郝景

编审:寇建超

排版:李雪薇
小时候,你是否有过这样一个梦想:


希望自己拥有“特异功能”,可以拯救世界。
就像钢铁侠一样,只需要按下胸前衣服上的按钮,就能瞬间披上战甲,变得无所不能。

也许在未来,我们拥有“特异功能”也并非一件不可能的事。
(来源:Pixabay)
如今,在智能手机的创新逐渐走弱及其市场容量也接近饱和的大背景下,智能可穿戴电子设备已经成为智能终端产业的下一个热点。而柔性可穿戴电子设备是未来智能可穿戴电子设备发展的热点研究方向之一。

但是,对于柔性可穿戴电子设备而言,电池对其设计和功能有很大影响,
由于常规锂电池比较笨重,难以在可穿戴电子设备中大规模使用。

因此,在过去的数 10 年中,如何提高可弯曲锂电池(纺织锂电池)的能量密度、柔韧性、机械强度和循环稳定性等性能,一直是科学家争相研究的热点课题。


近日,由复旦大学高分子科学系彭慧胜教授领衔的研究团队,为解决短纤维锂离子电池(长度只有几厘米)在连接中会损害纤维的能量密度和稳定性的问题,
研发出了一种长纤维锂离子电池(fibre lithium-ion batteries,FLIB),并制作了一种不仅可以为手机等外部设备充电、还可以监测人体健康的智能夹克。
(来源:Nature
相关研究论文以“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries ” 为题,发表在权威期刊 Nature 上。复旦大学高分子科学系、先进材料实验室的彭慧胜教授和陈培宁青年副研究员为该论文的共同通讯作者。
下一代电子通讯工具?
可穿戴电子设备,即直接穿在身上,或整合到衣服或配件上的一种便携式设备。
而智能可穿戴电子设备,则可以通过软件支持、数据交互、云端交互来实现强大的功能。


如今,随着现代黑科技的飞速发展,越来越多的可穿戴电子产品出现在我们的日常生活中,为我们提供了极大的便利。例如,早在 2012 年就出现的谷歌眼镜(Google Glass),它拥有与智能手机一样的功能,可以声控拍照、视频通话、上网冲浪,以及处理文字和电子邮件等功能。

(来源:Glass)
当前,可穿戴电子设备的主流产品形态主要包括以手腕为支撑的 watch 类(手表、腕带等)、以脚为支撑的 shoes 类(鞋、袜子或者其他腿上佩戴产品)和以头部为支撑的 Glass 类(眼镜、头盔、头带等);非主流产品形态则包括智能服装、书包、拐杖、配饰等。


而柔性智能可穿戴电子设备一般是指具有机械柔性、可以直接或间接与皮肤紧密贴合的电子设备,就像奥特曼、铠甲勇士的“皮套”一样,除了具备一定的交互功能,还非常贴合人体。

例如,今年 3 月份彭慧胜教授团队发明了一种新奇的智能电子织物。在测试中,这种织物展现出了优异的可拉伸性、透气性和耐用性,同时该织物还能作为大面积显示屏,根据不同的数字信号输入呈现出多元化的内容。相关研究论文也已发表在 Nature 上。
图|由“智能织物”制成的衣服可显示出不同的字样(来源:Nature
未来,基于纤维或者纱线的柔性电子设备将是下一代多功能柔性可穿戴电子的重点研究方向,这类电子设备不仅具有增强的光电性能和力学性能,还可以实现最小功耗和可持续的自我功能,在集成更多功能后,也有望塑造下一代电子通讯工具。
打破以往认知
在此项研究中,研究人员在生产长纤维锂离子电池方面进行了初步尝试
在商用铝线周围涂覆锂钴氧化物以形成正极,并在铜线周围涂覆石墨以形成负极。而且,为防止出现短路的情况,负纤维电极用商用隔离膜包裹。

图|用于产生连续纤维锂离子电池的装置原理图。钴酸锂(红色)和石墨(蓝色)浆料分别涂覆在铝和铜集流器上。干燥后,用分离器将负极缠绕,然后以优化的节距与正极拧在一起,通过挤压将其封装在聚合物复合管中。(来源:该论文)
图|a.扭曲结构的纤维锂离子电池原理图;b.纤维锂离子电池的照片;c.可拆卸的纤维锂离子电池显示正极、负极、隔膜、封装管等部件。(来源:该论文)
研究人员手动将正极和隔膜包裹的负极纤维电极缠绕在一起,制成了不同长度(0.1、0.2、0.5 和 1 米)的纤维锂离子电池,并测试了它们的电化学性能。


令人惊喜的是,随着纤维长度的增加,其内阻却会出现意外的下降,这与以往的认知恰恰相反。

实验结果显示,纤维锂离子电池的内阻与长度呈双曲余切函数关系,即随着纤维电池长度的增加,内阻先减小后趋于平缓,这就意味着获得高性能的长纤维锂离子电池是可能的。


图|随着纤维长度的增加,不同电阻的集流器的预测内阻先减小后趋于平缓。(来源:该论文)
不仅如此,该电池显示出很高的循环稳定性,与商业锂离子电池类似,在 500 次充放电循环后容量保持率依然高达 90.5%,库仑效率保持在 99.8%,而且在强循环后只出现了很小的极化。

图|左图为纤维锂离子电池的充放电曲线;右图则表明,即使在 500 次循环后,容量保持率和库仑效率仍然很高。(来源:该论文)
而且,这种纤维在拥有良好电化学性能的同时,也具有很好的机械性能。
该纤维的机械强度与纺织工业中广泛使用的化学纤维相当,它们可以很容易地使用工业剑杆织机编织成柔性纺织品。


纤维锂离子电池纺织品即使以各种方式折叠或被 1300 公斤的汽车压碎,也没有燃烧或爆炸;即使在经过机器洗涤后或被刀片刺穿后,也仍然可以为平板电脑充电。

此外,纤维锂离子电池也具有很高的安全性
研究人员也使用红外成像仪监测了纤维锂离子电池穿刺区域周围的温度,没有发现温度升高的现象。

图|a-d.由商业剑杆织机制成的纺织物;e.纤维锂离子电池纺织品在折叠之后依然可以为平板电脑充电;f.汽车碾压下织物依然可以充电;g.经洗衣机洗涤的纺织品;h.纺织品洗涤干燥后装入片剂的轻薄织物;i.被刀片刺穿时的纺织充电片;j、k.红外成像仪监测的区域温度在之前(j)和之后(k)基本保持不变。

人人都买得起的多功能小助手
鉴于其良好的电化学性能和机械性能,研究人员还制备了一件多功能夹克,这款夹克不仅可以为放置在佩戴者口袋中的智能手机充电,还能成为你的个性化健康管理小能手。
在持续 40 分钟的充电期间,红外热图像显示织物的温度变化小于 5°C,而且该织物在温度高达 40℃ 下依然可以良好、安全地工作。


纤维传感器检测汗水中钠离子和钙离子的浓度,并将数据发送到信号处理芯片,进而将信息传输到纺织品显示器,信号会在 10 分钟内被采集并显示,用户可以通过纺织品显示器实时观察和监控自己的健康状况。

(来源:该论文)
由于汗水传感器采集的数据也可以传输到手机或笔记本电脑上,穿戴者和他们的医生都可以监控这些健康状态,并作出即时诊断。
这种工具对于正在进行康复性体育锻炼的囊性纤维化患者或骨髓瘤或肝硬化的早期诊断尤其有用。


据论文描述,这种纤维纺织品不仅具有良好的性能和应用,
价格也相对较低,低于 0.05 美元/米适用于普遍的消费者以及大规模生产。
智能织物的“丝绸之路”
众所周知,所有的成功都不能一蹴而就,智能织物的求索之路也并非一条坦途。


近十多年来,彭慧胜团队始终致力于智能高分子纤维与织物研发,在柔性可穿戴电子设备方面做出了很大的贡献,为下一代的应用提供了有希望的解决方案。

图|彭慧胜团队(来源:复旦大学纤维电子学研究中心)
早在 2013 年,他们就首次成功研发出可拉伸的线状超级电容器,并将高分子材料的弹性及碳纳米管优异的电学性能和机械性能有效结合。


2014 年,他们又成功制备出了织物太阳能电池;并于 2015 年成功研发了一种新型纤维状聚合物发光电池,在可穿戴纤维状发光器件方面取得重大进展;仅在 3 年后,又发明了一类纤维状锂离子电池,0.1 平方米的电池织物可使苹果手机工作 10 小时。


今年 3 月,他们研发出的一种可发光电子织物成功登上了 Nature 杂志,给衣服织上了显示器、键盘和电源。甚至在未来,如果结合先进的解码复杂脑电波的技术,这样的显示纺织品或许能成为一种有效的辅助技术和通信工具。


从研发思路的推陈出新,到连续制备关键技术的接连突破,到设备的自主设计研发,到工程化路线的不断优化……


彭慧胜团队从未止步,已把产品从实验室里“带了出来”。
参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

http://fiber.fudan.edu.cn/Data/View/234

http://fiber.fudan.edu.cn/Data/View/237
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