纖維狀碳納米管電池可編織成高性能“能源衣”

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        若從最近谷歌眼鏡（Google Glass）的新品發(fā)布和蘋(píng)果iWatch智能腕表即將上市的種種跡象來(lái)看，可穿戴電子產(chǎn)品將可能掀起下一個(gè)新科技浪潮。為了解決這類產(chǎn)品的電力供應(yīng)問(wèn)題，中國(guó)上海復(fù)旦大學(xué)的研究人員首次制備出基于碳納米管（CNT）的纖維狀全鋰離子電池，可被靈活地編織成具有高性能的柔性能源紡織品。該研究成果發(fā)表在最新一期的《納米快報(bào)》上。

        從頭部顯示到生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)，可穿戴式電子產(chǎn)品可以提供許多先進(jìn)的功能，對(duì)電池的要求很高，不僅體積小、重量輕，還必須具備滿足設(shè)備運(yùn)行諸多功能所需的強(qiáng)大能量。因此，可穿戴式電子產(chǎn)品最大的技術(shù)瓶頸即是電池。

        據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)5月27日?qǐng)?bào)道，新的研究設(shè)計(jì)和編制的碳納米管（CNT）復(fù)合紗線，可牢牢纏繞進(jìn)棉纖維之中，創(chuàng)建出高性能的鋰離子電池。該纖維的直徑為1毫米左右，可以編織成柔性的織物或布料，并且與靈活的可佩戴電子設(shè)備兼容。

        參與這項(xiàng)研究的翁偉（音譯）說(shuō)：“這種電源能夠被直接無(wú)縫集成到可穿戴式的電子產(chǎn)品是非常必要的。由于它需要被靈活地織成衣物，纖維狀的電源是最理想的。雖然這是初次實(shí)現(xiàn)碳納米管纖維狀鋰離子電池，它卻表現(xiàn)出非常好的電化學(xué)性能，包括高能量密度達(dá)0.75兆瓦時(shí)/平方厘米，并在經(jīng)過(guò)100次使用周期后，電池保有容量達(dá)87％。”

        設(shè)計(jì)纖維狀鋰離子電池的最大挑戰(zhàn)之一，是廣為人知的硅膨脹問(wèn)題。在充電/放電過(guò)程期間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硅的體積經(jīng)受巨大的變化可達(dá)300％。為適應(yīng)這種情況，研究人員引入碳納米管制成一個(gè)復(fù)合CNT/硅紗陽(yáng)極。碳納米管有效緩沖了硅的體積變化，并將其牢固化。如果沒(méi)有這種混合結(jié)構(gòu)，硅的膨脹會(huì)使其剝落，導(dǎo)致電池?fù)p壞。

        對(duì)于制作陰極的材料，研究人員采用碳納米管和錳酸鋰，其好處是高穩(wěn)定性、工作電壓高和成本低。通過(guò)將由凝膠電解質(zhì)分隔的陽(yáng)極和陰極基于CNT的紗線纏繞進(jìn)棉纖維，這種鋰離子電池就可編織成一個(gè)柔性織物。

        此前，研究人員曾嘗試制造超級(jí)電容器纖維，但由于鋰離子電池纖維難以制造，便沒(méi)有把太多的關(guān)注投入其中。然而，鋰離子電池具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如更高的能量密度和較低的自放電損失，相比超級(jí)電容器，它們?yōu)橐话愕目膳宕麟娮釉O(shè)備提供了更好的選擇。研究人員解釋說(shuō)，在這方面，目前的工作是基于之前的研究有所改善，但仍然有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。

        研究人員說(shuō)：“2012年的報(bào)道稱，鋰離子電池使用銅線作為骨架，具有類似電纜型的形狀。其結(jié)果是很棒的，但由于這種電池具有大直徑、使用液態(tài)電解質(zhì)，并且很重，也許不適合織成能源紡織品?，F(xiàn)在采用碳納米管纖維作為其骨架，密度接近銅的1/9，并且使用凝膠電解質(zhì)以確保安全性。另外，復(fù)合紗線的陽(yáng)極和陰極由碳納米管纖維，以及直徑為100μm，僅是電纜電池中陽(yáng)極1/10的活性材料制成，因此這種纖維狀電池與用于制衣的聚合物纖維兼容，實(shí)現(xiàn)了高性能的電池。”

        在未來(lái)，研究人員計(jì)劃在各種領(lǐng)域進(jìn)一步改善這種纖維電池。研究人員說(shuō)：“首先，提高性能，如容量和循環(huán)壽命；其次，規(guī)?；a(chǎn)；第三，其他功能將被合并，例如拉伸、變色和自供電。”