復旦的新衣再登Nature！穿在身上能為手機充電，可水洗可彎折，刀戳車碾都不壞

魚羊 2021-09-02 13:22:39 來源：量子位

楊凈 魚羊 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

今天，一件來自中國的衣服登上了Nature。

沒看出有什么特別？別眨眼，下一秒神奇的事情就發生了（注意那個手機）。

沒錯，這件衣服正在給手機無！線！充！電！

不是把充電寶縫進了衣服里，而是這件可以正常折疊、水洗的衣服，本身就是一塊電池！

這項最新研究來自復旦大學彭慧勝教授團隊，也是該團隊半年內第二次在Nature發文。

上一篇Nature里，他們把衣服做成了顯示器，能打字聊天、能導航，還能顯示人體健康信息。

這一回，好家伙，直接一個雙劍合璧，把電源供應問題也給解決了。

是不是有點科幻大片內味兒了？

△《時間規劃局》

正經一說，這項研究也得到了Nature審稿人的高度評價：

（這項工作是）儲能領域和可穿戴技術領域里程碑式的研究。

是柔性電子領域的一個里程碑。

你的下一個充電寶可能是衣服

所以，這件衣服究竟有何玄機？

關鍵詞是纖維鋰離子電池（FLIB）。

△就是它

別小看這么一條“線”，在此前的研究中，這條“線”的長度通常只能達到幾厘米，很難為手機、電腦這樣較大的電子設備供電。

而這一次，彭慧勝團隊成功基于理論驗證，制備出了數米長的高性能長纖維鋰離子電池：長度1米的情況下，其能量密度達到85.69Wh/kg，可為心率監測儀和血氧儀等商用可穿戴設備提供使用超過2天的電量。

將其同普通紡織物織到一起，手機平板都能充。

折疊、水洗都沒啥影響。

安全性也有保證。遭受外力破壞的情況下，普通電池很容易發生燃燒、爆炸。但實驗顯示，織物電池在被車碾、被刀戳的情況下，依然能保持穩定。

研究團隊還監測了電池放電時衣物溫度的變化情況。結果顯示，在放電的40分鐘內，溫度并沒有發生明顯波動。

此外，這一衣服電池在500次充放電循環之后，容量保持率能達到90.5%，庫侖效率為99.8%。在曲率半徑為1厘米的情況下，彎折10萬次之后，其容量保持率仍大于80%。

每米成本低于3角

前文也提到，此前，工業級別上很難生產長度超過幾厘米的纖維鋰離子電池。其中很重要的一個原因是，較長的纖維被認為會有較高的內阻，而電池的內阻對其電化學性能具有重要影響。

所以復旦彭慧勝團隊具體是如何實現突破的？

有兩個方面。

首先他們發現，纖維內阻與長度呈現的是雙曲余切函數關系。

換句話說，就是纖維內阻先隨著長度的增加而降低，之后趨于平緩。

那么這兩者之間的關系究竟是如何發現的呢？

手工自制鋰電池。

電池正極為鋁線，涂層為鈷酸鋰LCO，典型鋰電池正極活性材料；負極為有石墨涂層的銅線，并用商業隔離膜包裹以防止短路。

將正負極纏繞在一起，制備成不同長度的纖維鋰電池（0.1米、0.2米、0.5 米和1米），并測量他們的電化學性能。

最終經過系統性研究表明，這一關系具有普遍性，對不同的纖維電池均有效。

理論基礎可行，那就到了第二階段——工業化制備，生產長達數米的高性能纖維電池。

最大的難點，是如何均勻地將漿液均勻涂在正負電極上。

目前大部分商業化電池就不存在這樣的問題，在平面基材上涂抹更加均勻，厚度也容易控制。然而對于柔性、彎曲的纖維表面就很有難度。

這是因為，在涂層負載過程中，曲面結構使得活性材料承受較大的表面張力，從而導致活性材料涂層不均勻，影響整個電池的性能和穩定性。

論文一作何紀卿接受澎湃采訪時表示，這會導致曲面產生不平整的串珠結構。

而團隊找到了最佳粘合劑含量，在這個含量下電極表面變得光滑。

那么具體是如何制備的呢？

鈷酸鋰LCO（紅色）和石墨（藍色）漿液分別涂在鋁和銅的集流體上。

今年3月，他們打造的衣物顯示器登上Nature。

隨后，通過擠壓封裝在一個管道中，這個封裝管由聚丙烯管包裹鋁塑帶制成，水蒸氣透過率低，不易受到外界環境影響。

技術含量這么高，價格又如何？

論文介紹：每米成本略低于0.05美元（約合0.3元人民幣），對于消費產品來說是經濟的。

半年兩登Nature的彭慧勝團隊

最后再來簡單介紹下背后的團隊——

復旦大學高分子科學系彭慧勝團隊，研究柔性電子材料已經超過十年。

而在今年半年時間，他們就兩度得到國際頂刊認可。

今年3月，他們打造的衣物顯示器登上Nature。

能聊天能導航，水洗彎折都不怕，紡織布料最長可達6米，其中包含50萬個發光單元，間距最小可達到0.8毫米，可以滿足高分辨率顯示的要求。

而現在，他們以可充電衣物再登Nature。

共同一作是他的兩位高分子科學系博士生何紀卿和路晨昊。

2008年彭慧勝剛回復旦，當時就已經想到“如果把鋰離子電池做成纖維，一定很好玩?！?/p>

2013年，彭慧勝團隊實現世界第一個纖維鋰離子電池，之后不斷進行拓展。

如今距離規模化生產又前進了一步，甚至有了更加明晰的實用價值。

彭慧勝表示：

從目前纖維鋰離子電池的性能和工程化水平判斷，有望在3-5年實現規模化生產與應用。如果資源比較集中和高效利用，也有可能2-3年就能實現。

沒準兒過不了多久，你的下一個充電寶，就是一件衣服。（手動狗頭）

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

參考鏈接：
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_14313938

— 完 —