穿衣即充電

中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝的實(shí)驗(yàn)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(shè)備之一。比如將手機(jī)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(jī)充進(jìn)20%到30%的電量。即使是無人機(jī)這樣的大功率電子產(chǎn)品，這些可穿戴充電產(chǎn)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(zhì)的同時，也擁有紗線織物的外觀和特質(zhì)，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(qiáng)柔韌性的纖維電極、浸潤纖維電極的凝膠電解質(zhì)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(jié)構(gòu)配置上有多種不同方案，且各個研究團(tuán)隊(duì)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(xì)分。

眼下，市場上的電子產(chǎn)品的電池大多都是致密的鋰型“硬電池”，其剛性結(jié)構(gòu)讓電極材料在彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)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(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，其直徑通常介于幾十到幾百微米之間，輕巧靈活，可以適應(yīng)彎曲、扭轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)研究團(tuán)隊(duì)仍處于產(chǎn)業(yè)化的早期階段。比如麻省理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過熱拉伸工藝，研發(fā)出了全球最長的一體化柔性纖維電池。然而，該團(tuán)隊(duì)所生產(chǎn)的纖維電池需要較復(fù)雜的微加工技術(shù)，生產(chǎn)條件較為苛刻，生產(chǎn)成本也比較高。

彭慧勝團(tuán)隊(duì)研究的纖維鋰離子電池目前已經(jīng)進(jìn)入了量產(chǎn)前的實(shí)驗(yàn)階段。彭慧勝是最早提出“柔性充電織物”設(shè)想的人之一。2008年，其團(tuán)隊(duì)就開始研究新型柔性電池系統(tǒng)了，2013年提出并實(shí)現(xiàn)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(shè)備能源供給需求提供了新路徑。2021年，彭慧勝團(tuán)隊(duì)解決了聚合物復(fù)合活性材料和纖維電極界面穩(wěn)定性難題，實(shí)現(xiàn)了良好編織性能和良好電化學(xué)性能的纖維鋰離子電池的連續(xù)制備，《自然》雜志將這一成果稱作“儲能領(lǐng)域和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的里程碑研究”。2024年該團(tuán)隊(duì)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(guī)模化應(yīng)用的最后一道難題，打通了柔性纖維鋰電池從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)用化的“最后一公里”。

彭慧勝是從爬山虎的孔道結(jié)構(gòu)中獲得靈感，對纖維電極的孔道結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，并設(shè)計(jì)出單體溶液，使之滲入到纖維電極的孔道結(jié)構(gòu)中。單體發(fā)生聚合反應(yīng)后，生成高分子凝膠電解質(zhì)，與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的界面，從而能兼顧高安全性與高儲能性能。

其實(shí)在設(shè)計(jì)柔性纖維電池的整個過程中，從原理、材料、設(shè)備到工藝方面的設(shè)計(jì)，彭慧勝團(tuán)隊(duì)都考慮了能否適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)要求。團(tuán)隊(duì)目前投入量產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的柔性纖維電池，結(jié)構(gòu)上采用的是制備簡單、直徑可調(diào)、更具規(guī)模化生產(chǎn)潛力的纏繞結(jié)構(gòu)；電極采用的是高分子纖維復(fù)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(guī)模化應(yīng)用的限域涂覆工藝。

彭慧勝團(tuán)隊(duì)對《第一財(cái)經(jīng)》雜志介紹，在儲能、充放電時長等實(shí)用效果方面，其纖維電池已經(jīng)與同體系商用電池十分接近。該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的50厘米×30厘米大小的電池織物，容量達(dá)到2975毫安時，與常用手機(jī)電池相當(dāng)，其在能量密度上已經(jīng)突破200瓦時/千克，已初步達(dá)到同體系商業(yè)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(yè)電池均可實(shí)現(xiàn)2C至4C倍率充電，即最快可以在半個小時內(nèi)為電子設(shè)備補(bǔ)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(yè)電池性能相當(dāng)。

該團(tuán)隊(duì)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(fù)洗滌干燥后電池性能是否會出現(xiàn)明顯下降。最終實(shí)驗(yàn)表明，其儲能電池織物經(jīng)過洗衣機(jī)100次洗滌及1萬次摩擦實(shí)驗(yàn)后，電池性能基本未受影響。此外，纖維電池在經(jīng)歷10萬次彎折變形后，電容量保持率仍大于96%，在高低溫、機(jī)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(chǎn)線上，每米纖維電池的生產(chǎn)成本是0.5元左右，每100瓦時纖維鋰離子電池的綜合產(chǎn)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(shè)備折舊等）。這意味著纖維鋰離子電池當(dāng)前的生產(chǎn)成本，被控制在了普通商用鋰電池生產(chǎn)成本5倍以內(nèi)的水平。

和彭慧勝團(tuán)隊(duì)達(dá)成纖維電池量產(chǎn)合作的，是主營高纖維紡織物生產(chǎn)的泰和新材集團(tuán)。泰和新材集團(tuán)現(xiàn)在已經(jīng)建成了纖維鋰離子電池的產(chǎn)線，年產(chǎn)量預(yù)計(jì)超過10萬米纖維電芯，產(chǎn)線每小時的產(chǎn)能超過300瓦時，相當(dāng)于每小時成產(chǎn)的電池可為超過20部手機(jī)充電。該產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)直徑500微米的纖維電池的量產(chǎn)。不過，彭慧勝對《第一財(cái)經(jīng)》雜志表示，現(xiàn)階段的量產(chǎn)實(shí)驗(yàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他呼吁更多產(chǎn)業(yè)化力量加入到纖維鋰離子電池的量產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中來，加快其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

現(xiàn)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(fù)合。不過，彭慧勝相信，未來實(shí)現(xiàn)可穿戴纖維電池產(chǎn)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(tuán)隊(duì)目前投入量產(chǎn)的纖維鋰離子電池，能量密度已經(jīng)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為，鈣氧電池因其高能量密度和低成本優(yōu)勢是最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的下一代纖維電池之一。

以鈣為負(fù)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(wěn)定性較差：鈣金屬負(fù)極具有高電化學(xué)活性，容易導(dǎo)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(fù)極失效；其空氣正極則具有高電極電勢，容易導(dǎo)致電解液氧化分解，正極電化學(xué)性能迅速衰退。

彭慧勝團(tuán)隊(duì)正在試圖解決這一問題。團(tuán)隊(duì)已制備出了一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質(zhì)，這種電解質(zhì)在室溫下不僅表現(xiàn)出了高離子導(dǎo)率，還展示出穩(wěn)定的電化學(xué)特性，在室溫條件下進(jìn)行電化學(xué)充放電，已穩(wěn)定運(yùn)行700次循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)已成功構(gòu)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(fā)表在了2024年2月的《自然》主刊上。

不過，鈣氧纖維電池距離實(shí)際應(yīng)用仍存在阻礙：其電循環(huán)性能需要進(jìn)一步提高；仍未完全解決的電池極化問題也嚴(yán)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(qiáng)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(chǎn)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(chǎn)生的電傳去外電路。經(jīng)過測試，太陽能電池纖維衣服一個白天（10小時）可發(fā)電6.1萬毫安時，給手機(jī)反復(fù)充電36次。同時，盡管衣服發(fā)生彎折，太陽能電池纖維衣服依舊有著最高9.45%的光電轉(zhuǎn)化效率。

一些團(tuán)隊(duì)也在研究利用其他環(huán)境實(shí)現(xiàn)供能的織物電器。東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2024年就研發(fā)出了一種不需要任何外來電源的發(fā)光織物。這種織物可將周圍環(huán)境的電磁波吸收轉(zhuǎn)化為電信號，在織物與導(dǎo)體接觸后，電信號會激發(fā)熒光層，從而讓織物發(fā)光。

除了儲能電池產(chǎn)品，柔性纖維還有很多應(yīng)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(yè)大學(xué)柔性電子研究院的黃維院士團(tuán)隊(duì)與北京理工大學(xué)宋維濤教授就合作研制出了一種可用于人體健康監(jiān)測的柔性纖維應(yīng)變傳感器，將該纖維傳感器編織入衣物后，可實(shí)現(xiàn)對身體震顫、脈搏、呼吸、手勢及6種人體運(yùn)動姿態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家則研發(fā)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(jī)械應(yīng)力時，表面會產(chǎn)生電荷，從而形成電壓）纖維組成。當(dāng)噪音傳來時，這些壓電纖維會根據(jù)噪音的聲波回饋同等頻率的聲波，從而實(shí)現(xiàn)對噪音的抵消。

彭慧勝團(tuán)隊(duì)對纖維柔性屏幕也有研究。“目前我們的纖維柔性顯示系統(tǒng)，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(tài)視頻，像素點(diǎn)密度達(dá)到90PPI以上，通過調(diào)整驅(qū)動電壓和頻率，最高顯示亮度達(dá)到了1000尼特，在室外條件下也可以清晰顯示。”彭慧勝團(tuán)隊(duì)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(yīng)用場景與可觀的發(fā)展前景。”

對于柔性纖維產(chǎn)品的未來，彭慧勝的愿景是，構(gòu)建多功能全織物可穿戴閉環(huán)系統(tǒng)：人們可以僅僅通過身上穿的一件衣服，實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電、健康檢測、圖片視頻瀏覽、道路導(dǎo)航、智能語音助手呼叫等種種功能。

彭慧勝關(guān)于織物電器的最初設(shè)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(chǎn)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(wěn)定性、安全性和抗極端環(huán)境打擊的能力方面，都表現(xiàn)出了很強(qiáng)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(yīng)用在太空服、太空艙，乃至探索宇宙所需要的各種設(shè)備上。

2024年10月29日，中國提出了登月計(jì)劃，宣布第四批預(yù)備航天員不僅要執(zhí)行空間站任務(wù)，未來也將執(zhí)行載人登月任務(wù)。彭慧勝希望自己團(tuán)隊(duì)研發(fā)的織物電器設(shè)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。