編織在衣服里的“健康衛(wèi)士”

文／陳培寧 彭慧勝

隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，可穿戴設(shè)備被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)之后的新一代電子產(chǎn)品，有望引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命。但目前可穿戴設(shè)備主要局限于智能手表、手環(huán)、眼鏡等小型產(chǎn)品，一個(gè)關(guān)鍵原因在于現(xiàn)有可穿戴設(shè)備主要由塊狀或平面電子元件組成，很難滿足可穿戴設(shè)備緊貼人體皮膚、適應(yīng)復(fù)雜形變、透氣導(dǎo)濕的應(yīng)用要求。

纖維鋰離子電池具有獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的柔性，可以編織成柔軟透氣的織物，有望為新一代電子設(shè)備提供靈活高效的能源供給方案。近幾十年來(lái)，科學(xué)界和工業(yè)界通過(guò)優(yōu)化電極材料使鋰離子電池的電化學(xué)性能大幅提升，但是如何通過(guò)設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)創(chuàng)建纖維鋰離子電池，滿足電子產(chǎn)品高度集成化、柔性化和舒適化發(fā)展要求，是鋰離子電池領(lǐng)域面臨的另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

2013年，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先提出纖維鋰離子電池的概念。纖維鋰離子電池包括3個(gè)核心組成部分，即涂覆正負(fù)極活性材料的纖維電極、包覆在纖維電極上的隔膜和電解液，目前已形成平行結(jié)構(gòu)、螺旋纏繞結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)這三種典型器件結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)塊狀電池不同，纖維鋰離子電池具有一維結(jié)構(gòu)，直徑通常在幾十到幾百微米之間，和我們?nèi)粘？椢镏惺褂玫募喚€相當(dāng)，可以承受扭曲、拉伸等各種復(fù)雜形變。更為重要的是，它可以編織成像衣服一樣柔軟透氣的電池織物，從而有效貼合人體皮膚，有效滿足未來(lái)可穿戴設(shè)備柔性化、舒適化和輕量化的發(fā)展要求，推動(dòng)紡織與物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域的融合發(fā)展。

面向纖維鋰離子電池規(guī)?；瘧?yīng)用需求，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)近10年深入研究，發(fā)現(xiàn)并揭示了纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長(zhǎng)度增加先減小后逐步趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，并自主開(kāi)發(fā)了“電極涂覆、隔膜包覆、螺旋組裝、電芯封裝”的連續(xù)化構(gòu)建路線和標(biāo)準(zhǔn)化裝置，在國(guó)際上建成了首條纖維離子電池中試生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了高性能纖維聚合物鋰離子電池的連續(xù)化制備。此項(xiàng)研究成果2021年在《自然》上發(fā)表，入選2021年“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”和10項(xiàng)“中國(guó)重大技術(shù)進(jìn)展”。

復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)所構(gòu)建的纖維聚合物鋰離子電池，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，其全電池能量密度較過(guò)去提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，還具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性，綜合性能可與目前典型商業(yè)電池相當(dāng)。該電池還可以耐受各種復(fù)雜形變，在彎折10萬(wàn)次后仍能保持性能穩(wěn)定。

得益于有效的封裝技術(shù)和使用準(zhǔn)固態(tài)的凝膠電解質(zhì)，纖維鋰離子電池不會(huì)發(fā)生漏電和電解液泄露，顯示出良好的安全性，將纖維鋰離子電池、纖維傳感器與顯示織物集成在一起并編織在衣服上，可以像平常穿的衣服一樣經(jīng)受反復(fù)洗滌。纖維鋰離子電池充滿電后，就可以為織物系統(tǒng)中的傳感、顯示等器件持續(xù)供電，將這樣的智能服裝穿在身上，就可以對(duì)人體生理信號(hào)，如汗液中的鈣離子、鈉離子進(jìn)行檢測(cè)，并顯示在衣服上，使我們能實(shí)時(shí)便捷地了解健康狀況。

未來(lái)將這種智能織物與物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)進(jìn)一步融合集成，無(wú)疑會(huì)給人們帶來(lái)更加便捷的人機(jī)交互體驗(yàn)，甚至改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>