《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(xué)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(shè)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(shè)備中，它們的電池同樣也起到結(jié)構(gòu)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(xué)院（MIT）博士后 Tural Khudiyev（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)助理教授）、前MIT博士后 Jung Tae Lee（現(xiàn)為韓國慶熙大學(xué)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(xué)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(xué)傳感器、通訊設(shè)備和數(shù)字化系統(tǒng)。這當(dāng)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(shè)備中。但是目前為止，這些設(shè)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(shè)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(shè)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(xì)的出口，使得它可以被壓縮成很細(xì)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(guān)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(guān)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(shè)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(fēng)、前置放大器、中繼器和二極管。通過這些設(shè)備，研究者在兩套纖維織成的設(shè)備之間構(gòu)成了光學(xué)數(shù)據(jù)連接。

“當(dāng)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�此之外，最后制造出的纖維電池比預(yù)想更薄，更柔軟，長寬比達到數(shù)百萬倍，遠遠高于其他設(shè)計方案。這使得它可以被常規(guī)的紡織設(shè)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(xì)。

“我們這項方案的優(yōu)美之處在于，我們可以將多種設(shè)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(shè)備的技術(shù)都截然不同�！彼麄円呀�(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(shè)備都安置進這一微小空間內(nèi)�！拔覀兛梢詫⒍喾N設(shè)備融合進一根纖維內(nèi)，這種整合結(jié)構(gòu)一定可以推動纖維計算機的發(fā)展�！�

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(shè)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(jié)構(gòu)部件中可以降低設(shè)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(shè)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(biāo)的技術(shù)。“打印完成后，你不需要再加裝任何東西，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(shù)�！�

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)�！�

該研究團隊已經(jīng)就這項技術(shù)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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