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批量生产柔性、安全和可洗涤的纤维电池，对于其广泛应用于便携式和可穿戴电子产品中至关重要。目前，一个主流的方向是制造直径在几十到几百微米的纤维锂离子电池（FLIBs），它们可以很容易地编织成具有足够容量的可穿戴和透气纺织物，从而满足各种可穿戴电子产品的电力需求（图1a）。在过去的十年中，人们进行了大量研究以获得制备具有更佳电化学性能FLIBs的方法。过去人们认为较长的纤维具有较高的内阻，这会影响FLIBs的电化学性能。因此，迄今为止，基本只获得了厘米长尺度的FLIBs，同时基于整个电池质量的能量密度（<1 Wh kg−1）也比较低。近日，复旦大学彭慧胜教授，陈培宁意外发现FLIBs的内阻与长度呈双曲余切函数关系，随着长度的增加，内阻先减小后趋于稳定。系统研究证实，这一意想不到的结果适用于不同的FLIBs。通过优化的可扩展工业流程，成功生产出数米的高性能FLIBs。此外，批量生产的纤维电池的能量密度达到了85.69Wh kg−1（基于包括包装在内的锂钴氧化物/石墨全电池的总重量）。充放电500次后容量保持率达到90.5%，1 C倍率下容量保持率达到93%（与0.1 C倍率容量相比），可媲美软包电池等商用电池。此外，纤维弯曲100,000次后仍能保持80%以上的容量。进一步的，研究人员展示了用工业剑杆织机将FLIBs编织成的安全且可洗的纺织品，对手机进行无线充电，以及为集成了纤维传感器和纺织品显示器的保健夹克供电。研究人员建立了一个等效电路模型，从理论上阐明内阻与电池长度的关系（图1b）。研究发现， FLIB内阻与其长度呈双曲余切函数关系：随着电池长度的增加，内阻首先在稳定之前减小（图1c）。例如，电阻为10000 Ω m−1的纤维集电器的预测内阻从0.01 m时的1000 Ω降至0.06 m时的447 Ω，然后随着长度的进一步增加而保持447 Ω的内阻。而对于电阻为1 Ω m−1的纤维集电器，预测内阻首先从0.01 m的1000 Ω降至1 m的10 Ω，然后对于>5 m的纤维内阻达到4 Ω。用直流电阻(DCR)和电化学阻抗法(EIS)测量了FLIBs的内阻。进一步的，两种方法的测量值与预测值呈线性相关（图1d）。此外，改变活性物质、充电状态或电解质的锂离子浓度来改变电阻率值，测量值和预测值也得到了很好地吻合，从而表明理论结果和实验结果有很好的一致性。图1 测量和预测的FLIBs内阻随纤维长度的增加而减小研究人员发展了一种大规模制造FLIBs的方法。在正负纤维电极扭曲在一起并封装在封装管中之前，研究人员将活性材料和隔膜依次涂覆并包裹在纤维集电器上（图2a,b）。在直径从几微米到几百微米的长纤维集电器周围成功获得高负载、坚固而均匀的活性材料涂层，解决了长期以来制造高性能长FLIBs的挑战。此外，在正极浆液中加入一定比例的聚偏氟乙烯粘合剂，在负极浆液中加入羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液，以改善界面粘附性，这些粘结剂抑制压力，防止形成影响电池性能的珍珠和水滴。通过使用定制的工业涂布设备，研究人员发现5%的粘结剂是连续生产活性材料层均匀且坚固的纤维电极的最佳选择（图2b-f）。在涂覆过程中，沿着所研究的100米长电极，活性材料的负载重量几乎没有任何变化（图2c）。而对于弯曲半径为1.5 mm的纤维，即使在100000次弯曲后也没有明显的活性材料剥落或开裂（图2d）。遵循Landau-Levich定律，研究人员通过改变浆料的粘度（图2e）和涂布速度（图2f）来进一步调整活性材料的负载量。为防止电池实际应用中的短路，在扭转之前用商业隔膜将负极纤维电极包裹起来。随后使用绞盘机将正负纤维电极拧在一起。所得的间距沿扭曲的光纤电极均匀排列。结果显示，在最佳扭转间距为2 mm时，Co和C元素均匀分布在各自电极的表面（图2g），对活性材料层（图2h）没有任何明显的结构损伤。然后将扭曲的电极插入具有良好的电解质耐受性的封装管中（图2i）。结果显示，基于总质量(包括电极、电解质和包装)，长度为1m（图2j）的FLIB显示出85.69 Wh kg−1的高能量密度。FLIB的容量和能量随纤维长度线性增加（图3a）。1米长的FLIB在0.1 C电流密度下的容量为25 mAh，能量为95 mWh，足以为各种商业可穿戴设备（如心率监测器和肌肉含氧量监测器）供电2天以上。100 个FLIBs（每个1m长）在0.1 C的倍率下具有0.1 C的比容量，范围在160 mAh g−1到180 mAh g−1之间（图3b）。此外，FLIBs也表现出高循环稳定性，500次充放电循环后容量保持率为90.5%，库仑效率为99.8%（图3c）。FLIB能够在−20至60 °C的较宽温度范围内工作，在−20 °C时容量保持率>90%，在60 °C时容量保持率>95%，与典型的商用锂离子电池相当。研究人员进一步测量了不同长度的FLIBs在不同放电倍率下的容量保持率（图3e）。与短FLIB相比，长FLIB具有更高的容量保持率，特别是在更高的放电倍率下，这归因于长FLIB的较低内阻（图1c,d）。FLIB具有出色的柔性和耐用性，即使在弯曲（曲率半径为1 cm）100000次循环后仍能保持80%的容量。FLIBs出色的机械强度可与纺织工业中广泛使用的化学纤维相媲美，因此可以使用工业剑杆织机轻松地将其编织成柔性纺织品。同时，无线充电模块还可以进一步集成，形成智能供电纺织品。研究人员制造了比重量小于1000 g m−2的大面积（长5 m×宽0.3 m）FLIB纺织品，并按照欧盟(IEC62133-2)、美国(UL2054)和中国(GB 31241)发布的国际标准对其安全性进行了测试。FLIB纺织品即使在以各种方式折叠或被1300公斤的汽车压碎后也没有燃烧或爆炸。此外，即使在机器清洗或被刀片刺穿之后，仍可继续为平板电脑充电。同时，FLIB纺织品还具有非常高的安全性。结构分析进一步表明，集电器上的活性层在折叠、洗涤和穿孔后保持完好。在实际应用场景中，研究人员演示了一种由FLIB纺织品制成的夹克，它可以为放在穿戴者口袋中的智能手机进行无线充电（图4a）。无线充电过程中记录的电压-时间曲线显示，当无线充电模块关闭时，充满电的FLIB的电压为4.4 V（图4c）。当手机放在无线充电器上时，充电开始。充电完成后，电压降至3 V。整个过程持续40 min。在此期间，红外热像显示FLIB织物的温度变化小于5 °C（图4d）。此外，FLIB纺织品在高达40 °C的温度下仍能正常和安全地工作，因此具有安全性。研究人员进一步使用FLIB纺织品制作了一件用于个性化健康管理的夹克（图4e）。用于汗液检测的纤维传感器和用于展示的电致发光纺织品被编织到夹克袖子中（图4f）。在夹克内侧编织的FLIB纺织品（图4g）用于为纤维传感器和纺织品显示器供电（图4h）。当用户跑步时，光纤传感器检测汗液中Na+和Ca2+的浓度，并将数据发送到信号处理芯片，信号处理芯片可以将信息传输到纺织品显示器。信号在10 min内被采集和显示，使得用户可以通过纺织品显示器实时观察和监控自身的健康状况（图4i,j）。此外，由于汗液传感器收集的数据也可以传输到手机或笔记本电脑，因此用户和他们的医生都可以监控健康状态，并做出即时诊断。因此，这种工具对接受康复体育锻炼的囊性纤维化患者，或对骨髓瘤或肝硬化的早期诊断极有效果。1）研究发现，FLIB的内阻随着长度的增加而减小，因此实现了高性能的长FLIB。2）研究人员开发了一种使用工业设备生产高性能长FLIB的优化方案。用工业剑杆织机将FLIB织造成大面积纺织品，生产出的FLIB纺织品具有足够的能量来驱动大型电子设备。3）这种FLIB成本略低于0.05美元（每米），对于广泛的消费应用具有经济性。此外，FLIB纺织品可以集成到日常服装中，为手机无线充电，并作为一种实时健康管理和反馈工具。目前来说，要生产下一代智能纺织品以及生物医学和商业可穿戴设备，仍然需要先进的织造方法和设备，以进一步优化FLIB之间的电气连接，并更好地将FLIB与其他纺织设备集成在一起。此外，利用比容量更高的活性材料，可以获得能量密度更高的FLIBs。总之，随着大规模生产高性能FLIBs的实现，FLIBs纺织品将具有广泛的应用前景。He, J., Lu, C., Jiang, H. et al. Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries. Nature 597, 57–63 (2021).DOI：10.1038/s41586-021-03772-0https://doi.org/10.1038/s41586-021-03772-0![]()
如何将显示功能有效集成到电子织物中，同时确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性？这是智能电子织物领域面临的一大难题。今年3月，复旦大学高分子科学系教授彭慧胜领衔的研究团队，成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合，在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件，揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律，实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。
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Shi, X., Zuo, Y., Zhai, P. et al. Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 591, 240–245 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03295-8