第一作者：何紀卿，路晨昊批量生產柔性、安全和可洗滌的纖維電池，對于其廣泛應用于便攜式和可穿戴電子產品中至關重要。目前，一個主流的方向是制造直徑在幾十到幾百微米的纖維鋰離子電池（FLIBs），它們可以很容易地編織成具有足夠容量的可穿戴和透氣紡織物，從而滿足各種可穿戴電子產品的電力需求（圖1a）。在過去的十年中，人們進行了大量研究以獲得制備具有更佳電化學性能FLIBs的方法。過去人們認為較長的纖維具有較高的內阻，這會影響FLIBs的電化學性能。因此，迄今為止，基本只獲得了厘米長尺度的FLIBs，同時基于整個電池質量的能量密度（<1 Wh kg?1）也比較低。近日，復旦大學彭慧勝教授，陳培寧意外發現FLIBs的內阻與長度呈雙曲余切函數關系，隨著長度的增加，內阻先減小后趨于穩定。系統研究證實，這一意想不到的結果適用于不同的FLIBs。通過優化的可擴展工業流程，成功生產出數米的高性能FLIBs。此外，批量生產的纖維電池的能量密度達到了85.69Wh kg?1（基于包括包裝在內的鋰鈷氧化物/石墨全電池的總重量）。充放電500次后容量保持率達到90.5%，1 C倍率下容量保持率達到93%（與0.1 C倍率容量相比），可媲美軟包電池等商用電池。此外，纖維彎曲100,000次后仍能保持80%以上的容量。進一步的，研究人員展示了用工業劍桿織機將FLIBs編織成的安全且可洗的紡織品，對手機進行無線充電，以及為集成了纖維傳感器和紡織品顯示器的保健夾克供電。
研究人員建立了一個等效電路模型，從理論上闡明內阻與電池長度的關系（圖1b）。研究發現， FLIB內阻與其長度呈雙曲余切函數關系：隨著電池長度的增加，內阻首先在穩定之前減小（圖1c）。例如，電阻為10000 Ω m?1的纖維集電器的預測內阻從0.01 m時的1000 Ω降至0.06 m時的447 Ω，然后隨著長度的進一步增加而保持447 Ω的內阻。而對于電阻為1 Ω m?1的纖維集電器，預測內阻首先從0.01 m的1000 Ω降至1 m的10 Ω，然后對于>5 m的纖維內阻達到4 Ω。用直流電阻(DCR)和電化學阻抗法(EIS)測量了FLIBs的內阻。進一步的，兩種方法的測量值與預測值呈線性相關（圖1d）。此外，改變活性物質、充電狀態或電解質的鋰離子濃度來改變電阻率值，測量值和預測值也得到了很好地吻合，從而表明理論結果和實驗結果有很好的一致性。圖1 測量和預測的FLIBs內阻隨纖維長度的增加而減小研究人員發展了一種大規模制造FLIBs的方法。在正負纖維電極扭曲在一起并封裝在封裝管中之前，研究人員將活性材料和隔膜依次涂覆并包裹在纖維集電器上（圖2a,b）。在直徑從幾微米到幾百微米的長纖維集電器周圍成功獲得高負載、堅固而均勻的活性材料涂層，解決了長期以來制造高性能長FLIBs的挑戰。此外，在正極漿液中加入一定比例的聚偏氟乙烯粘合劑，在負極漿液中加入羧甲基纖維素鈉和丁苯橡膠乳液，以改善界面粘附性，這些粘結劑抑制壓力，防止形成影響電池性能的珍珠和水滴。通過使用定制的工業涂布設備，研究人員發現5%的粘結劑是連續生產活性材料層均勻且堅固的纖維電極的最佳選擇（圖2b-f）。在涂覆過程中，沿著所研究的100米長電極，活性材料的負載重量幾乎沒有任何變化（圖2c）。而對于彎曲半徑為1.5 mm的纖維，即使在100000次彎曲后也沒有明顯的活性材料剝落或開裂（圖2d）。遵循Landau-Levich定律，研究人員通過改變漿料的粘度（圖2e）和涂布速度（圖2f）來進一步調整活性材料的負載量。為防止電池實際應用中的短路，在扭轉之前用商業隔膜將負極纖維電極包裹起來。隨后使用絞盤機將正負纖維電極擰在一起。所得的間距沿扭曲的光纖電極均勻排列。結果顯示，在最佳扭轉間距為2 mm時，Co和C元素均勻分布在各自電極的表面（圖2g），對活性材料層（圖2h）沒有任何明顯的結構損傷。然后將扭曲的電極插入具有良好的電解質耐受性的封裝管中（圖2i）。結果顯示，基于總質量(包括電極、電解質和包裝)，長度為1m（圖2j）的FLIB顯示出85.69 Wh kg?1的高能量密度。
FLIB的容量和能量隨纖維長度線性增加（圖3a）。1米長的FLIB在0.1 C電流密度下的容量為25 mAh，能量為95 mWh，足以為各種商業可穿戴設備（如心率監測器和肌肉含氧量監測器）供電2天以上。100 個FLIBs（每個1m長）在0.1 C的倍率下具有0.1 C的比容量，范圍在160 mAh g?1到180 mAh g?1之間（圖3b）。此外，FLIBs也表現出高循環穩定性，500次充放電循環后容量保持率為90.5%，庫侖效率為99.8%（圖3c）。FLIB能夠在?20至60 °C的較寬溫度范圍內工作，在?20 °C時容量保持率>90%，在60 °C時容量保持率>95%，與典型的商用鋰離子電池相當。研究人員進一步測量了不同長度的FLIBs在不同放電倍率下的容量保持率（圖3e）。與短FLIB相比，長FLIB具有更高的容量保持率，特別是在更高的放電倍率下，這歸因于長FLIB的較低內阻（圖1c,d）。FLIB具有出色的柔性和耐用性，即使在彎曲（曲率半徑為1 cm）100000次循環后仍能保持80%的容量。FLIBs出色的機械強度可與紡織工業中廣泛使用的化學纖維相媲美，因此可以使用工業劍桿織機輕松地將其編織成柔性紡織品。同時，無線充電模塊還可以進一步集成，形成智能供電紡織品。研究人員制造了比重量小于1000 g m?2的大面積（長5 m×寬0.3 m）FLIB紡織品，并按照歐盟(IEC62133-2)、美國(UL2054)和中國(GB 31241)發布的國際標準對其安全性進行了測試。FLIB紡織品即使在以各種方式折疊或被1300公斤的汽車壓碎后也沒有燃燒或爆炸。此外，即使在機器清洗或被刀片刺穿之后，仍可繼續為平板電腦充電。同時，FLIB紡織品還具有非常高的安全性。結構分析進一步表明，集電器上的活性層在折疊、洗滌和穿孔后保持完好。在實際應用場景中，研究人員演示了一種由FLIB紡織品制成的夾克，它可以為放在穿戴者口袋中的智能手機進行無線充電（圖4a）。無線充電過程中記錄的電壓-時間曲線顯示，當無線充電模塊關閉時，充滿電的FLIB的電壓為4.4 V（圖4c）。當手機放在無線充電器上時，充電開始。充電完成后，電壓降至3 V。整個過程持續40 min。在此期間，紅外熱像顯示FLIB織物的溫度變化小于5 °C（圖4d）。此外，FLIB紡織品在高達40 °C的溫度下仍能正常和安全地工作，因此具有安全性。研究人員進一步使用FLIB紡織品制作了一件用于個性化健康管理的夾克（圖4e）。用于汗液檢測的纖維傳感器和用于展示的電致發光紡織品被編織到夾克袖子中（圖4f）。在夾克內側編織的FLIB紡織品（圖4g）用于為纖維傳感器和紡織品顯示器供電（圖4h）。當用戶跑步時，光纖傳感器檢測汗液中Na+和Ca2+的濃度，并將數據發送到信號處理芯片，信號處理芯片可以將信息傳輸到紡織品顯示器。信號在10 min內被采集和顯示，使得用戶可以通過紡織品顯示器實時觀察和監控自身的健康狀況（圖4i,j）。此外，由于汗液傳感器收集的數據也可以傳輸到手機或筆記本電腦，因此用戶和他們的醫生都可以監控健康狀態，并做出即時診斷。因此，這種工具對接受康復體育鍛煉的囊性纖維化患者，或對骨髓瘤或肝硬化的早期診斷極有效果。1）研究發現，FLIB的內阻隨著長度的增加而減小，因此實現了高性能的長FLIB。2）研究人員開發了一種使用工業設備生產高性能長FLIB的優化方案。用工業劍桿織機將FLIB織造成大面積紡織品，生產出的FLIB紡織品具有足夠的能量來驅動大型電子設備。3）這種FLIB成本略低于0.05美元（每米），對于廣泛的消費應用具有經濟性。此外，FLIB紡織品可以集成到日常服裝中，為手機無線充電，并作為一種實時健康管理和反饋工具。目前來說，要生產下一代智能紡織品以及生物醫學和商業可穿戴設備，仍然需要先進的織造方法和設備，以進一步優化FLIB之間的電氣連接，并更好地將FLIB與其他紡織設備集成在一起。此外，利用比容量更高的活性材料，可以獲得能量密度更高的FLIBs?？傊?，隨著大規模生產高性能FLIBs的實現，FLIBs紡織品將具有廣泛的應用前景。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
如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確?？椢锏娜彳?、透氣導濕、適應復雜形變等特性？這是智能電子織物領域面臨的一大難題。今年3月，復旦大學高分子科學系教授彭慧勝領銜的研究團隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規律，實現了大面積柔性顯示織物和智能集成系統。
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
