编织在衣服里的“健康卫士”

文／陈培宁 彭慧胜

随着5G和物联网技术的飞速发展，可穿戴设备被认为是继计算机、智能手机之后的新一代电子产品，有望引领新一轮产业革命。但目前可穿戴设备主要局限于智能手表、手环、眼镜等小型产品，一个关键原因在于现有可穿戴设备主要由块状或平面电子元件组成，很难满足可穿戴设备紧贴人体皮肤、适应复杂形变、透气导湿的应用要求。

纤维锂离子电池具有独特的一维结构，具有优异的柔性，可以编织成柔软透气的织物，有望为新一代电子设备提供灵活高效的能源供给方案。近几十年来，科学界和工业界通过优化电极材料使锂离子电池的电化学性能大幅提升，但是如何通过设计新结构创建纤维锂离子电池，满足电子产品高度集成化、柔性化和舒适化发展要求，是锂离子电池领域面临的另一个重大挑战。

2013年，复旦大学研究团队在国际上率先提出纤维锂离子电池的概念。纤维锂离子电池包括3个核心组成部分，即涂覆正负极活性材料的纤维电极、包覆在纤维电极上的隔膜和电解液，目前已形成平行结构、螺旋缠绕结构和同轴结构这三种典型器件结构。与传统块状电池不同，纤维锂离子电池具有一维结构，直径通常在几十到几百微米之间，和我们日常织物中使用的纱线相当，可以承受扭曲、拉伸等各种复杂形变。更为重要的是，它可以编织成像衣服一样柔软透气的电池织物，从而有效贴合人体皮肤，有效满足未来可穿戴设备柔性化、舒适化和轻量化的发展要求，推动纺织与物联网、人机交互、大数据、人工智能等新兴领域的融合发展。

面向纤维锂离子电池规模化应用需求，复旦大学研究团队通过近10年深入研究，发现并揭示了纤维锂离子电池内阻随长度增加先减小后逐步趋于稳定的变化规律，并自主开发了“电极涂覆、隔膜包覆、螺旋组装、电芯封装”的连续化构建路线和标准化装置，在国际上建成了首条纤维离子电池中试生产线，实现了高性能纤维聚合物锂离子电池的连续化制备。此项研究成果2021年在《自然》上发表，入选2021年“中国科学十大进展”和10项“中国重大技术进展”。

复旦大学研究团队所构建的纤维聚合物锂离子电池，具有优异的电化学性能，其全电池能量密度较过去提升了两个数量级，还具有较高的循环稳定性，综合性能可与目前典型商业电池相当。该电池还可以耐受各种复杂形变，在弯折10万次后仍能保持性能稳定。

得益于有效的封装技术和使用准固态的凝胶电解质，纤维锂离子电池不会发生漏电和电解液泄露，显示出良好的安全性，将纤维锂离子电池、纤维传感器与显示织物集成在一起并编织在衣服上，可以像平常穿的衣服一样经受反复洗涤。纤维锂离子电池充满电后，就可以为织物系统中的传感、显示等器件持续供电，将这样的智能服装穿在身上，就可以对人体生理信号，如汗液中的钙离子、钠离子进行检测，并显示在衣服上，使我们能实时便捷地了解健康状况。

未来将这种智能织物与物联网和5G技术进一步融合集成，无疑会给人们带来更加便捷的人机交互体验，甚至改变人们的生活方式。