《Materials Today》可充電鋰離子電池誕生，長達140米，還能用來3D打印

來源：科研圈

美國麻省理工學院的研究者們開發(fā)出了一種超長纖維形態(tài)的可充電鋰離子電池，可以被紡織成織物。這種電池或許可以使可穿戴電子設備量產(chǎn)成為可能，還可以通過 3D 打印被制成各種各樣的形狀。

可以像普通衣物一樣穿在身上，并且能自主供電的通訊裝置、傳感器和計算裝置越來越多。在這些設備中，它們的電池同樣也起到結構部件的功能。在一項概念驗證試驗中，研究團隊制作出了長達 140 米、世界上最長的柔性纖維電池，以此證明這種材料可以被制作成任意的長度。這項研究發(fā)表在《今日材料》（Materials Today）期刊上。麻省理工學院（MIT）博士后 Tural Khudiyev（現(xiàn)為新加坡國立大學助理教授）、前MIT博士后 Jung Tae Lee（現(xiàn)為韓國慶熙大學教授）和現(xiàn)任職于蘋果公司的 MIT 博士生 Benjamin Grena 是該成果的主要作者。其他合著者還包括MIT教授 Yoel Fink，Ju Li 和 John Joannopoulos 等七位學者。

在此之前，包括這個科研團隊在內(nèi)的研究者們已經(jīng)研發(fā)出了許多種包含電子器件的纖維，包括 LED、光學傳感器、通訊設備和數(shù)字化系統(tǒng)。這當中有許多都是可紡織甚至可洗滌的，這使得它們可以用在可穿戴電子設備中。但是目前為止，這些設備都要依賴于外接電源來工作?，F(xiàn)在，這種同樣可紡織且可洗滌的纖維電池能讓上述設備都具有自主供電的能力。

這種新型纖維電池使用先進的電池凝膠和常見的纖維拉伸設備生產(chǎn)。首先將所有的材料組裝在一起制成一個大圓柱，然后將其加熱到接近熔點。接下來，這些材料會被拉伸穿過一個很細的出口，使得它可以被壓縮成很細的纖維，同時各種材料之間的排列方式不會發(fā)生變化。

Khudiyev 表示，其他人在研發(fā)纖維電池時，總試圖讓最關鍵的材料處于纖維的外層。而他們開發(fā)的纖維將鋰離子和關鍵材料都包裹在里面，處于外層的保護之下。這不但穩(wěn)定，而且防水。這是世界上第一種亞千米長度的纖維電池，它不僅夠長，而且足夠耐用。

既然研究者可以制作出 140 米長的纖維電池，這也就意味著這種電池“不存在明顯的長度上限，我們完全可以把它延長到千米尺度，”Khudiyev 說。他們還用這種纖維電池制作了一套驗證設備，“Li-Fi”通訊系統(tǒng)（一種使用光脈沖傳輸數(shù)據(jù)的裝置）。它包含麥克風、前置放大器、中繼器和二極管。通過這些設備，研究者在兩套纖維織成的設備之間構成了光學數(shù)據(jù)連接。

“當我們將活性材料嵌入纖維中時，也就這意味著敏感的電池組件具有了良好的密封性，”Khudiyev 這樣說道，“所有的活性材料都被緊密整合在了一起，在拉伸過程中它們的位置不會發(fā)生變化?！背酥猓詈笾圃斐龅睦w維電池比預想更薄，更柔軟，長寬比達到數(shù)百萬倍，遠遠高于其他設計方案。這使得它可以被常規(guī)的紡織設備加工，制造內(nèi)嵌了電池和其他電子系統(tǒng)的紡織物。

如他所說，這條 140 米長的纖維電池目前能儲存 123 毫安時的電能，可以為智能手表或手機充電。它的直徑只有幾百微米，比以往任何纖維電池都要細。

“我們這項方案的優(yōu)美之處在于，我們可以將多種設備嵌入進一根纖維中，”Lee 如是說，“這和其他需要聚合多種不同的纖維設備的技術都截然不同。”他們已經(jīng)成功將 LED 和鋰離子電池融合進了一根纖維里，并且相信未來可以將三種甚至四種不同的設備都安置進這一微小空間內(nèi)?！拔覀兛梢詫⒍喾N設備融合進一根纖維內(nèi)，這種整合結構一定可以推動纖維計算機的發(fā)展?！?br />
在獨立的一維纖維和它紡織二成的二維織物之外，這種材料也可以被 3D 打印成特定的形狀，比如能夠給設備供電的外殼。為了證明這種潛力，研究者用這種材料給一只玩具潛水艇制作了一個外殼，能給艇身供電。將能源嵌入到結構部件中可以降低設備的整體重量，提高她的效率，擴大使用范圍。

“自帶”電源外殼的玩具潛水艇。圖片來源：Courtesy of Tural Khudiyev, Jung Tae Lee, Benjamin Grena, Yoel Finket al

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“這是世界上第一款用纖維電池材料 3D 打印出來的設備，”Khudiyev 說道。如果你想要通過 3D 打印制作包含電池的裝置，目前為止這是唯一可以達成這個目標的技術?！按蛴⊥瓿珊螅悴恍枰偌友b任何東西，因為所有的器件都已經(jīng)存在于纖維內(nèi)部了。這是首個一步到位的打印技術。”

這意味著如今 “運算單元和 Li-Fi 可以被裝在任何日常物品內(nèi)?！?br />
該研究團隊已經(jīng)就這項技術申請了專利，并且著手繼續(xù)改進它的容量和多樣性。Khudiyev 表示，這款纖維電池在未來幾年內(nèi)就可以被用在產(chǎn)品上推向市場。

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