復旦的新衣再登Nature!穿在身上能為手機充電,可水洗可彎折
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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。”
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