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)布和蘋果iWatch智能腕表即將上市的種種跡象來看，可穿戴電子產品將可能掀起下一個新科技浪潮。為了解決這類產品的電力供應問題，中國上海復旦大學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》上。

        從頭部顯示到生物醫(yī)學監(jiān)測，可穿戴式電子產品可以提供許多先進的功能，對電池的要求很高，不僅體積小、重量輕，還必須具備滿足設備運行諸多功能所需的強大能量。因此，可穿戴式電子產品最大的技術瓶頸即是電池。

        據物理學家組織網5月27日報道，新的研究設計和編制的碳納米管（CNT）復合紗線，可牢牢纏繞進棉纖維之中，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備兼容。

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

        設計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題。在充電/放電過程期間會發(fā)生化學反應，硅的體積經受巨大的變化可達300％。為適應這種情況，研究人員引入碳納米管制成一個復合CNT/硅紗陽極。碳納米管有效緩沖了硅的體積變化，并將其牢固化。如果沒有這種混合結構，硅的膨脹會使其剝落，導致電池損壞。

        對于制作陰極的材料，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。通過將由凝膠電解質分隔的陽極和陰極基于CNT的紗線纏繞進棉纖維，這種鋰離子電池就可編織成一個柔性織物。

        此前，研究人員曾嘗試制造超級電容器纖維，但由于鋰離子電池纖維難以制造，便沒有把太多的關注投入其中。然而，鋰離子電池具有一定的優(yōu)勢，例如更高的能量密度和較低的自放電損失，相比超級電容器，它們?yōu)橐话愕目膳宕麟娮釉O備提供了更好的選擇。研究人員解釋說，在這方面，目前的工作是基于之前的研究有所改善，但仍然有進一步改進的余地。

        研究人員說：“2012年的報道稱，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，并且很重，也許不適合織成能源紡織品?，F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以確保安全性。另外，復合紗線的陽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，實現了高性能的電池。”

        在未來，研究人員計劃在各種領域進一步改善這種纖維電池。研究人員說：“首先，提高性能，如容量和循環(huán)壽命；其次，規(guī)?；a；第三，其他功能將被合并，例如拉伸、變色和自供電。”