穿衣即充電

中國科學院院士、復旦大學高分子科學系教授彭慧勝的實驗室里，遍布著各種可穿戴的“充電寶”—可充電的背包、可充電的手提包、可充電的多功能消防服……

可穿戴“充電寶”可能會成為普通人最常使用的可穿戴設備之一。比如將手機放入可充電手提包，半小時左右，手提包就能給一部正常手機充進20%到30%的電量。即使是無人機這樣的大功率電子產品，這些可穿戴充電產品也能勝任。

讓衣服充電成為可能的，是一種柔性纖維儲能電池。這種電池在具備電池本質的同時，也擁有紗線織物的外觀和特質，可彎折、可編織。

纖維儲能電池通常由三部分組成：涂覆活性材料的具有較強柔韌性的纖維電極、浸潤纖維電極的凝膠電解質以及外層包裹的封裝層。目前纖維電池的研究者在這三個組成部分的材料選擇和結構配置上有多種不同方案，且各個研究團隊也在對自己的材料不斷迭代。以纖維電極的原料選擇為例，常用的電極分為金屬材料基電極、碳材料基電極和高分子材料基電極三個不同的大類，而在各個大類之下還有更多的具體材料細分。

眼下，市場上的電子產品的電池大多都是致密的鋰型“硬電池”，其剛性結構讓電極材料在彎曲、拉伸和扭轉等使用場景中易從集流體上剝離，造成儲能效果和充放電水平下降。而柔性纖維儲能電池具有獨特的一維結構，其直徑通常介于幾十到幾百微米之間，輕巧靈活，可以適應彎曲、扭轉和拉伸等各種形變。纖維儲能器件還可通過低成本的紡織技術編織成柔性透氣的儲能織物，變成人們的日常衣物。

但如今大多數研究團隊仍處于產業化的早期階段。比如麻省理工大學團隊通過熱拉伸工藝，研發出了全球最長的一體化柔性纖維電池。然而，該團隊所生產的纖維電池需要較復雜的微加工技術，生產條件較為苛刻，生產成本也比較高。

彭慧勝團隊研究的纖維鋰離子電池目前已經進入了量產前的實驗階段。彭慧勝是最早提出“柔性充電織物”設想的人之一。2008年，其團隊就開始研究新型柔性電池系統了，2013年提出并實現了新型纖維鋰離子電池，為有效滿足智能電子織物等可穿戴設備能源供給需求提供了新路徑。2021年，彭慧勝團隊解決了聚合物復合活性材料和纖維電極界面穩定性難題，實現了良好編織性能和良好電化學性能的纖維鋰離子電池的連續制備，《自然》雜志將這一成果稱作“儲能領域和可穿戴技術領域的里程碑研究”。2024年該團隊又攻克了“如何制備高安全性的纖維鋰電池”這個阻礙柔性纖維電池規模化應用的最后一道難題，打通了柔性纖維鋰電池從實驗室到實用化的“最后一公里”。

彭慧勝是從爬山虎的孔道結構中獲得靈感，對纖維電極的孔道結構做出調整，并設計出單體溶液，使之滲入到纖維電極的孔道結構中。單體發生聚合反應后，生成高分子凝膠電解質，與纖維電極形成緊密穩定的界面，從而能兼顧高安全性與高儲能性能。

其實在設計柔性纖維電池的整個過程中，從原理、材料、設備到工藝方面的設計，彭慧勝團隊都考慮了能否適應規模化生產要求。團隊目前投入量產實驗的柔性纖維電池，結構上采用的是制備簡單、直徑可調、更具規模化生產潛力的纏繞結構；電極采用的是高分子纖維復合金屬材料電極；封裝原料選擇了以全氟乙烯丙烯共聚物為主要封裝材料；封裝工藝方面則采用了成本相對可控、利于規模化應用的限域涂覆工藝。

彭慧勝團隊對《第一財經》雜志介紹，在儲能、充放電時長等實用效果方面，其纖維電池已經與同體系商用電池十分接近。該團隊生產的50厘米×30厘米大小的電池織物，容量達到2975毫安時，與常用手機電池相當，其在能量密度上已經突破200瓦時/千克，已初步達到同體系商業鋰離子電池（200至300瓦時/千克）的水平；快充方面，纖維鋰離子電池與同體系商業電池均可實現2C至4C倍率充電，即最快可以在半個小時內為電子設備補充50%到80%的電量；而快放方面，在1C和2C倍率電流放電下容量保持率分別為95%和90%，也與同體系商業電池性能相當。

該團隊還考慮到由纖維電池編織成的柔性織物的親膚性和透氣性，甚至測試了在反復洗滌干燥后電池性能是否會出現明顯下降。最終實驗表明，其儲能電池織物經過洗衣機100次洗滌及1萬次摩擦實驗后，電池性能基本未受影響。此外，纖維電池在經歷10萬次彎折變形后，電容量保持率仍大于96%，在高低溫、機械破壞等極端條件下也有良好的安全性，即使剪斷一部分也能有效供電。

目前，該款纖維電池的量產線上，每米纖維電池的生產成本是0.5元左右，每100瓦時纖維鋰離子電池的綜合產能成本約為240元，其中包括物料成本、能源成本（水電等）、人力成本和其他成本（設備折舊等）。這意味著纖維鋰離子電池當前的生產成本，被控制在了普通商用鋰電池生產成本5倍以內的水平。

和彭慧勝團隊達成纖維電池量產合作的，是主營高纖維紡織物生產的泰和新材集團。泰和新材集團現在已經建成了纖維鋰離子電池的產線，年產量預計超過10萬米纖維電芯，產線每小時的產能超過300瓦時，相當于每小時成產的電池可為超過20部手機充電。該產線可以實現直徑500微米的纖維電池的量產。不過，彭慧勝對《第一財經》雜志表示，現階段的量產實驗還遠遠不夠，他呼吁更多產業化力量加入到纖維鋰離子電池的量產實驗中來，加快其產業化進程。

現階段，充電背包、充電衣物等儲能器件也不能由纖維電池單一編織完成，需要將纖維電池與普通紗線、皮革等編織或復合。不過，彭慧勝相信，未來實現可穿戴纖維電池產品完全由纖維鋰離子電池編織而成“是沒有問題的”。

而彭慧勝團隊目前投入量產的纖維鋰離子電池，能量密度已經接近材料極限，并且鋰金屬資源的稀缺性問題也正日益凸顯。團隊認為，鈣氧電池因其高能量密度和低成本優勢是最有可能實現商業化應用的下一代纖維電池之一。

以鈣為負極的鈣體系電池具有更高的能量密度，其中，鈣氧電池具有最高的理論能量密度，且鈣原料在自然界中廣泛存在，相比鋰更易取用，成本也更低。但鈣氧電池的穩定性較差：鈣金屬負極具有高電化學活性，容易導致電解液被還原分解并在電極表面形成鈍化層，使鈣金屬負極失效；其空氣正極則具有高電極電勢，容易導致電解液氧化分解，正極電化學性能迅速衰退。

彭慧勝團隊正在試圖解決這一問題。團隊已制備出了一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質，這種電解質在室溫下不僅表現出了高離子導率，還展示出穩定的電化學特性，在室溫條件下進行電化學充放電，已穩定運行700次循環。在此基礎上，團隊已成功構建出同時具有高柔性和高安全性的鈣氧纖維電池，這一成果，也發表在了2024年2月的《自然》主刊上。

不過，鈣氧纖維電池距離實際應用仍存在阻礙：其電循環性能需要進一步提高；仍未完全解決的電池極化問題也嚴重限制了其電池體系的能量效率。

2017年，彭慧勝在一次演講中還分享了其研究的一種太陽能電池纖維衣服。這款衣服的纖維使用高強度的碳納米管。碳納米管的一面鍍上紅色的光電活性材料，用于吸收太陽光產生電；另一面涂了另外一層電極膜，可把紅色光電活性材料產生的電傳去外電路。經過測試，太陽能電池纖維衣服一個白天（10小時）可發電6.1萬毫安時，給手機反復充電36次。同時，盡管衣服發生彎折，太陽能電池纖維衣服依舊有著最高9.45%的光電轉化效率。

一些團隊也在研究利用其他環境實現供能的織物電器。東華大學材料科學與工程學院2024年就研發出了一種不需要任何外來電源的發光織物。這種織物可將周圍環境的電磁波吸收轉化為電信號，在織物與導體接觸后，電信號會激發熒光層，從而讓織物發光。

除了儲能電池產品，柔性纖維還有很多應用場景，如柔性纖維電子屏幕、柔性纖維人體傳感器等。西北工業大學柔性電子研究院的黃維院士團隊與北京理工大學宋維濤教授就合作研制出了一種可用于人體健康監測的柔性纖維應變傳感器，將該纖維傳感器編織入衣物后，可實現對身體震顫、脈搏、呼吸、手勢及6種人體運動姿態的實時監測。美國麻省理工學院的科學家則研發出了一種“降噪”織物，這種織物由一根根壓電（指某些特定的材料在受到機械應力時，表面會產生電荷，從而形成電壓）纖維組成。當噪音傳來時，這些壓電纖維會根據噪音的聲波回饋同等頻率的聲波，從而實現對噪音的抵消。

彭慧勝團隊對纖維柔性屏幕也有研究。“目前我們的纖維柔性顯示系統，具備多色彩、高分辨率、高亮度等特性，可以通過無線傳輸信號，在36伏的人體安全電壓下，以30赫茲的刷新率播放動態視頻，像素點密度達到90PPI以上，通過調整驅動電壓和頻率，最高顯示亮度達到了1000尼特，在室外條件下也可以清晰顯示。”彭慧勝團隊表示，“纖維柔性屏幕具備觸控、自由手寫、傳感等多種功能，有比較廣闊的應用場景與可觀的發展前景。”

對于柔性纖維產品的未來，彭慧勝的愿景是，構建多功能全織物可穿戴閉環系統：人們可以僅僅通過身上穿的一件衣服，實現設備供電、健康檢測、圖片視頻瀏覽、道路導航、智能語音助手呼叫等種種功能。

彭慧勝關于織物電器的最初設想起源于太空。他注意到，搭載太陽能板的火星登陸車在登陸火星展開探測后，由于外星的道路坑坑洼洼，剛性的太陽能電池在移動過程中很容易損壞。這讓他產生一個想法：如果把電池做成柔性的，是不是就能容易地解決這個問題？

由于纖維電器在柔韌性、穩定性、安全性和抗極端環境打擊的能力方面，都表現出了很強的潛力，纖維電器未來不僅可以成為探測車的供電電池，還完全有可能應用在太空服、太空艙，乃至探索宇宙所需要的各種設備上。

2024年10月29日，中國提出了登月計劃，宣布第四批預備航天員不僅要執行空間站任務，未來也將執行載人登月任務。彭慧勝希望自己團隊研發的織物電器設備在不久的將來也能跟隨宇航員，踏上尋找“嫦娥”和“玉兔”的旅途。