麻省理工大学研究人员开发了一种超长纤维形式的可充电锂离子电池，可以编织成织物。这种电池可以使各种可穿戴电子设备成为可能，甚至可以用来制造几乎任何形状的 3D 打印电池。
研究人员设想了可以像普通衣服一样穿着的自供电通信、传感和计算设备的新可能性，以及电池也可以兼作结构部件的设备。
在概念验证中，新电池技术背后的团队生产了世界上最长的柔性纤维电池，长 140 米，以证明该材料可以制造成任意长的长度。这项工作今天在“今日材料”杂志上进行了描述。麻省理工学院博士后 Tural Khudiyev（现为新加坡国立大学助理教授）、前麻省理工学院博士后 Jung Tae Lee（现为庆熙大学教授）和 Benjamin Grena SM '13, Ph.D. '17（目前在 Apple）是该论文的主要作者。其他合著者是麻省理工学院教授 Yoel Fink、Ju Li 和 John Joannopoulos，以及麻省理工学院和其他地方的其他七人。
包括该团队成员在内的研究人员此前已经展示了包含多种电子元件的纤维，包括发光二极管 (LED)、光电传感器、通信和数字系统。其中许多是可编织和可清洗的，使它们适用于可穿戴产品，但迄今为止都依赖于外部电源。现在，这种可编织和可清洗的纤维电池可以使此类设备完全独立。
这种潜艇无人机由包裹在其表面的 20 米长的纤维电池供电。图片来源：Tural Khudiyev、Jung Tae Lee、Benjamin Grena、Yoel Fink 等
新的纤维电池是使用新型电池凝胶和标准纤维拉伸系统制造的，该系统从一个包含所有组件的较大圆柱体开始，然后将其加热到略低于其熔点。材料通过一个狭窄的开口被拉出，将所有零件压缩到原始直径的一小部分，同时保持零件的所有原始排列。
由于凝胶电极和凝胶电解质，热拉伸纤维电池（右）是耐火的，而带有液体电解质的控制纤维电池（左）会立即着火并膨胀。图片来源：麻省理工学院
Khudiyev 说，虽然其他人试图制造纤维形式的电池，但这些电池的结构是在纤维外部使用关键材料，而该系统将锂和其他材料嵌入纤维内部，并带有保护性外部涂层，从而直接使版本稳定防水。他说，这是亚公里长纤维电池的首次演示，该电池足够长且非常耐用，可用于实际应用。
他们能够制造出 140 米长的纤维电池这一事实表明“长度没有明显的上限。我们绝对可以做到千米级长度，”他说。使用新型光纤电池的演示设备集成了“Li-Fi”通信系统——其中使用光脉冲传输数据，并包括麦克风、前置放大器、晶体管和二极管，以在两者之间建立光学数据链路两个机织织物装置。
“当我们将活性材料嵌入纤维中时，这意味着敏感的电池组件已经具有良好的密封性，”Khudiyev 说，“并且所有活性材料都非常好地集成在一起，因此它们在绘图过程中不会改变它们的位置”过程。此外，由此产生的纤维电池更薄、更灵活，产生的纵横比，即长宽比，高达一百万，这远远超过其他设计，这使得使用标准编织设备来实现创建包含电池和电子系统的织物。
他说，迄今为止生产的 140 米光纤的储能容量为 123 毫安时，可以为智能手表或手机充电。纤维装置的厚度只有几百微米，比以往任何以纤维形式生产电池的尝试都要薄。
“我们的方法的美妙之处在于我们可以在单个光纤中嵌入多个设备，”Lee 说，“与需要集成多个光纤设备的其他方法不同。”他们展示了 LED 和锂离子电池在单根光纤中的集成，他说相信未来在如此小的空间内可以组合三四个以上的设备。“当我们将这些包含多设备的光纤集成在一起时，集合将推动紧凑型织物计算机的实现。”
除了可以编织成二维织物的单个一维纤维外，该材料还可以用于 3D 打印或定制形状系统以创建固体物体，例如可以提供结构的外壳设备及其电源。为了展示这种能力，一艘玩具潜艇用电池纤维包裹起来为其提供动力。将电源整合到此类设备的结构中可以降低整体重量，从而提高它们可以实现的效率和范围。
“这是纤维电池设备的首次 3D 打印，”Khudiyev 说。他说，“如果你想通过包含电池装置的3D 打印制造复杂的物体” ，这是第一个可以实现这一目标的系统。“打印后，你不需要添加任何其他东西，因为一切都在纤维内部，所有金属，所有活性材料。这只是一步打印。这是第一次。”
这意味着现在，他说，“计算单元可以放在日常物品中，包括 Li-Fi。”
该团队已经申请了该工艺的专利，并继续开发功率容量和用于提高效率的材料变化的进一步改进。Khudiyev 说，这种纤维电池可以在几年内准备好用于商业产品。
该研究得到了美国国家科学基金会 MIT MRSEC 计划、美国陆军研究实验室通过士兵纳米技术研究所、美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划和韩国国家研究基金会的支持。
Demi Xia编译
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