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復旦的新衣再登 Nature:穿在身上能為手機充電,刀戳車碾都不壞

今天,一件來自中國的衣服登上了 Nature。

沒看出有什麼特別?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裡,而是這件可以正常摺疊、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 裡,他們把衣服做成了顯示器,能打字聊天、能導航,還能顯示人體健康資訊。

這一回,好傢伙,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裡程碑式的研究。

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

別小看這麼一條“線”,在此前的研究中,這條“線”的長度通常只能達到幾釐米,很難為手機、電腦這樣較大的電子裝置供電。

而這一次,彭慧勝團隊成功基於理論驗證,製備出了數米長的高效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裝置提供使用超過 2 天的電量。

將其同普通紡織物織到一起,手機平板都能充。

摺疊、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,溫度並沒有發生明顯波動

此外,這一衣服電池在 500 次充放電迴圈之後,容量保持率能達到 90.5%,庫侖效率為 99.8%。在曲率半徑為 1 釐米的情況下,彎折 10 萬次之後,其容量保持率仍大於 80%。

每米成本低於 3 角

前文也提到,此前,工業級別上很難生產長度超過幾釐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效能具有重要影響。

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餘切函式關係

換句話說,就是纖維內阻先隨著長度的增加而降低,之後趨於平緩。

那麼這兩者之間的關係究竟是如何發現的呢?

手工自制鋰電池

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

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

最終經過系統性研究表明,這一關係具有普遍性,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 —— 工業化製備,生產長達數米的高效能纖維電池。

最大的難點,是如何均勻地將漿液均勻塗在正負電極上

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

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

論文一作何紀卿接受澎湃採訪時表示,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。

那麼具體是如何製備的呢?

鈷酸鋰 LCO(紅色)和石墨(藍色)漿液分別塗在鋁和銅的集流體上。

乾燥後,負極再用分離劑包裹,與正極纏繞在一起。嗯,大概是這種密不可分的程度。

隨後,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製成,水蒸氣透過率低,不易受到外界環境影響。

技術含量這麼高,價格又如何?

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

半年兩登 Nature 的彭慧勝團隊

最後再來簡單介紹下背後的團隊 ——

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,可以滿足高解析度顯示的要求。

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,之後不斷進行拓展。

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效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