Nature重磅：復(fù)旦團(tuán)隊(duì)研發(fā)新型智能夾克，可為手機(jī)無(wú)線充電、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體健康

撰文：郝景
編審：寇建超
排版：李雪薇

小時(shí)候，你是否有過(guò)這樣一個(gè)夢(mèng)想：

希望自己擁有“特異功能”，可以拯救世界。

就像鋼鐵俠一樣，只需要按下胸前衣服上的按鈕，就能瞬間披上戰(zhàn)甲，變得無(wú)所不能。

也許在未來(lái)，我們擁有“特異功能”也并非一件不可能的事。

（來(lái)源：Pixabay）

如今，在智能手機(jī)的創(chuàng)新逐漸走弱及其市場(chǎng)容量也接近飽和的大背景下，智能可穿戴電子設(shè)備已經(jīng)成為智能終端產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)熱點(diǎn)。而柔性可穿戴電子設(shè)備是未來(lái)智能可穿戴電子設(shè)備發(fā)展的熱點(diǎn)研究方向之一。

但是，對(duì)于柔性可穿戴電子設(shè)備而言，電池對(duì)其設(shè)計(jì)和功能有很大影響，由于常規(guī)鋰電池比較笨重，難以在可穿戴電子設(shè)備中大規(guī)模使用。

因此，在過(guò)去的數(shù) 10 年中，如何提高可彎曲鋰電池（紡織鋰電池）的能量密度、柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和循環(huán)穩(wěn)定性等性能，一直是科學(xué)家爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題。

近日，由復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，為解決短纖維鋰離子電池（長(zhǎng)度只有幾厘米）在連接中會(huì)損害纖維的能量密度和穩(wěn)定性的問(wèn)題，研發(fā)出了一種長(zhǎng)纖維鋰離子電池（fibre lithium-ion batteries，F(xiàn)LIB），并制作了一種不僅可以為手機(jī)等外部設(shè)備充電、還可以監(jiān)測(cè)人體健康的智能夾克。

（來(lái)源：Nature）

相關(guān)研究論文以“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries ” 為題，發(fā)表在權(quán)威期刊 Nature 上。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室的彭慧勝教授和陳培寧青年副研究員為該論文的共同通訊作者。

可穿戴電子設(shè)備，即直接穿在身上，或整合到衣服或配件上的一種便攜式設(shè)備。而智能可穿戴電子設(shè)備，則可以通過(guò)軟件支持、數(shù)據(jù)交互、云端交互來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。

如今，隨著現(xiàn)代黑科技的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的可穿戴電子產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的日常生活中，為我們提供了極大的便利。例如，早在 2012 年就出現(xiàn)的谷歌眼鏡（Google Glass），它擁有與智能手機(jī)一樣的功能，可以聲控拍照、視頻通話、上網(wǎng)沖浪，以及處理文字和電子郵件等功能。

（來(lái)源：Glass）

當(dāng)前，可穿戴電子設(shè)備的主流產(chǎn)品形態(tài)主要包括以手腕為支撐的 watch 類(lèi)（手表、腕帶等）、以腳為支撐的 shoes 類(lèi)（鞋、襪子或者其他腿上佩戴產(chǎn)品）和以頭部為支撐的 Glass 類(lèi)（眼鏡、頭盔、頭帶等）；非主流產(chǎn)品形態(tài)則包括智能服裝、書(shū)包、拐杖、配飾等。

而柔性智能可穿戴電子設(shè)備一般是指具有機(jī)械柔性、可以直接或間接與皮膚緊密貼合的電子設(shè)備，就像奧特曼、鎧甲勇士的“皮套”一樣，除了具備一定的交互功能，還非常貼合人體。

例如，今年 3 月份彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新奇的智能電子織物。在測(cè)試中，這種織物展現(xiàn)出了優(yōu)異的可拉伸性、透氣性和耐用性，同時(shí)該織物還能作為大面積顯示屏，根據(jù)不同的數(shù)字信號(hào)輸入呈現(xiàn)出多元化的內(nèi)容。相關(guān)研究論文也已發(fā)表在 Nature 上。

圖｜由“智能織物”制成的衣服可顯示出不同的字樣（來(lái)源：Nature）

未來(lái)，基于纖維或者紗線的柔性電子設(shè)備將是下一代多功能柔性可穿戴電子的重點(diǎn)研究方向，這類(lèi)電子設(shè)備不僅具有增強(qiáng)的光電性能和力學(xué)性能，還可以實(shí)現(xiàn)最小功耗和可持續(xù)的自我功能，在集成更多功能后，也有望塑造下一代電子通訊工具。

在此項(xiàng)研究中，研究人員在生產(chǎn)長(zhǎng)纖維鋰離子電池方面進(jìn)行了初步嘗試，在商用鋁線周?chē)扛蹭団捬趸镆孕纬烧龢O，并在銅線周?chē)扛彩孕纬韶?fù)極。而且，為防止出現(xiàn)短路的情況，負(fù)纖維電極用商用隔離膜包裹。

圖｜用于產(chǎn)生連續(xù)纖維鋰離子電池的裝置原理圖。鈷酸鋰（紅色）和石墨（藍(lán)色）漿料分別涂覆在鋁和銅集流器上。干燥后，用分離器將負(fù)極纏繞，然后以?xún)?yōu)化的節(jié)距與正極擰在一起，通過(guò)擠壓將其封裝在聚合物復(fù)合管中。（來(lái)源：該論文）

圖｜a.扭曲結(jié)構(gòu)的纖維鋰離子電池原理圖；b.纖維鋰離子電池的照片；c.可拆卸的纖維鋰離子電池顯示正極、負(fù)極、隔膜、封裝管等部件。（來(lái)源：該論文）

研究人員手動(dòng)將正極和隔膜包裹的負(fù)極纖維電極纏繞在一起，制成了不同長(zhǎng)度（0.1、0.2、0.5 和 1 米）的纖維鋰離子電池，并測(cè)試了它們的電化學(xué)性能。

令人驚喜的是，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，其內(nèi)阻卻會(huì)出現(xiàn)意外的下降，這與以往的認(rèn)知恰恰相反。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，纖維鋰離子電池的內(nèi)阻與長(zhǎng)度呈雙曲余切函數(shù)關(guān)系，即隨著纖維電池長(zhǎng)度的增加，內(nèi)阻先減小后趨于平緩，這就意味著獲得高性能的長(zhǎng)纖維鋰離子電池是可能的。

圖｜隨著纖維長(zhǎng)度的增加，不同電阻的集流器的預(yù)測(cè)內(nèi)阻先減小后趨于平緩。（來(lái)源：該論文）

不僅如此，該電池顯示出很高的循環(huán)穩(wěn)定性，與商業(yè)鋰離子電池類(lèi)似，在 500 次充放電循環(huán)后容量保持率依然高達(dá) 90.5%，庫(kù)侖效率保持在 99.8%，而且在強(qiáng)循環(huán)后只出現(xiàn)了很小的極化。

圖｜左圖為纖維鋰離子電池的充放電曲線；右圖則表明，即使在 500 次循環(huán)后，容量保持率和庫(kù)侖效率仍然很高。（來(lái)源：該論文）

而且，這種纖維在擁有良好電化學(xué)性能的同時(shí)，也具有很好的機(jī)械性能。該纖維的機(jī)械強(qiáng)度與紡織工業(yè)中廣泛使用的化學(xué)纖維相當(dāng)，它們可以很容易地使用工業(yè)劍桿織機(jī)編織成柔性紡織品。

纖維鋰離子電池紡織品即使以各種方式折疊或被 1300 公斤的汽車(chē)壓碎，也沒(méi)有燃燒或爆炸；即使在經(jīng)過(guò)機(jī)器洗滌后或被刀片刺穿后，也仍然可以為平板電腦充電。

此外，纖維鋰離子電池也具有很高的安全性，研究人員也使用紅外成像儀監(jiān)測(cè)了纖維鋰離子電池穿刺區(qū)域周?chē)臏囟?，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象。

圖｜a-d.由商業(yè)劍桿織機(jī)制成的紡織物；e.纖維鋰離子電池紡織品在折疊之后依然可以為平板電腦充電；f.汽車(chē)碾壓下織物依然可以充電；g.經(jīng)洗衣機(jī)洗滌的紡織品；h.紡織品洗滌干燥后裝入片劑的輕薄織物；i.被刀片刺穿時(shí)的紡織充電片；j、k.紅外成像儀監(jiān)測(cè)的區(qū)域溫度在之前（j）和之后（k）基本保持不變。

鑒于其良好的電化學(xué)性能和機(jī)械性能，研究人員還制備了一件多功能夾克，這款?yuàn)A克不僅可以為放置在佩戴者口袋中的智能手機(jī)充電，還能成為你的個(gè)性化健康管理小能手。
在持續(xù) 40 分鐘的充電期間，紅外熱圖像顯示織物的溫度變化小于 5°C，而且該織物在溫度高達(dá) 40℃ 下依然可以良好、安全地工作。

纖維傳感器檢測(cè)汗水中鈉離子和鈣離子的濃度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到信號(hào)處理芯片，進(jìn)而將信息傳輸?shù)郊徔椘凤@示器，信號(hào)會(huì)在 10 分鐘內(nèi)被采集并顯示，用戶(hù)可以通過(guò)紡織品顯示器實(shí)時(shí)觀察和監(jiān)控自己的健康狀況。

（來(lái)源：該論文）

由于汗水傳感器采集的數(shù)據(jù)也可以傳輸?shù)绞謾C(jī)或筆記本電腦上，穿戴者和他們的醫(yī)生都可以監(jiān)控這些健康狀態(tài)，并作出即時(shí)診斷。這種工具對(duì)于正在進(jìn)行康復(fù)性體育鍛煉的囊性纖維化患者或骨髓瘤或肝硬化的早期診斷尤其有用。

據(jù)論文描述，這種纖維紡織品不僅具有良好的性能和應(yīng)用，價(jià)格也相對(duì)較低，低于 0.05 美元/米，適用于普遍的消費(fèi)者以及大規(guī)模生產(chǎn)。

眾所周知，所有的成功都不能一蹴而就，智能織物的求索之路也并非一條坦途。

近十多年來(lái)，彭慧勝團(tuán)隊(duì)始終致力于智能高分子纖維與織物研發(fā)，在柔性可穿戴電子設(shè)備方面做出了很大的貢獻(xiàn)，為下一代的應(yīng)用提供了有希望的解決方案。

圖｜彭慧勝團(tuán)隊(duì)（來(lái)源：復(fù)旦大學(xué)纖維電子學(xué)研究中心）

早在 2013 年，他們就首次成功研發(fā)出可拉伸的線狀超級(jí)電容器，并將高分子材料的彈性及碳納米管優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能有效結(jié)合。

2014 年，他們又成功制備出了織物太陽(yáng)能電池；并于 2015 年成功研發(fā)了一種新型纖維狀聚合物發(fā)光電池，在可穿戴纖維狀發(fā)光器件方面取得重大進(jìn)展；僅在 3 年后，又發(fā)明了一類(lèi)纖維狀鋰離子電池，0.1 平方米的電池織物可使蘋(píng)果手機(jī)工作 10 小時(shí)。

今年 3 月，他們研發(fā)出的一種可發(fā)光電子織物成功登上了 Nature 雜志，給衣服織上了顯示器、鍵盤(pán)和電源。甚至在未來(lái)，如果結(jié)合先進(jìn)的解碼復(fù)雜腦電波的技術(shù)，這樣的顯示紡織品或許能成為一種有效的輔助技術(shù)和通信工具。

從研發(fā)思路的推陳出新，到連續(xù)制備關(guān)鍵技術(shù)的接連突破，到設(shè)備的自主設(shè)計(jì)研發(fā)，到工程化路線的不斷優(yōu)化……

彭慧勝團(tuán)隊(duì)從未止步，已把產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室里“帶了出來(lái)”。

參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8
http://fiber.fudan.edu.cn/Data/View/234
http://fiber.fudan.edu.cn/Data/View/237