穿衣即充电

中国科学院院士、复旦大学高分子科学系教授彭慧胜的实验室里，遍布着各种可穿戴的“充电宝”—可充电的背包、可充电的手提包、可充电的多功能消防服……

可穿戴“充电宝”可能会成为普通人最常使用的可穿戴设备之一。比如将手机放入可充电手提包，半小时左右，手提包就能给一部正常手机充进20%到30%的电量。即使是无人机这样的大功率电子产品，这些可穿戴充电产品也能胜任。

让衣服充电成为可能的，是一种柔性纤维储能电池。这种电池在具备电池本质的同时，也拥有纱线织物的外观和特质，可弯折、可编织。

纤维储能电池通常由三部分组成：涂覆活性材料的具有较强柔韧性的纤维电极、浸润纤维电极的凝胶电解质以及外层包裹的封装层。目前纤维电池的研究者在这三个组成部分的材料选择和结构配置上有多种不同方案，且各个研究团队也在对自己的材料不断迭代。以纤维电极的原料选择为例，常用的电极分为金属材料基电极、碳材料基电极和高分子材料基电极三个不同的大类，而在各个大类之下还有更多的具体材料细分。

眼下，市场上的电子产品的电池大多都是致密的锂型“硬电池”，其刚性结构让电极材料在弯曲、拉伸和扭转等使用场景中易从集流体上剥离，造成储能效果和充放电水平下降。而柔性纤维储能电池具有独特的一维结构，其直径通常介于几十到几百微米之间，轻巧灵活，可以适应弯曲、扭转和拉伸等各种形变。纤维储能器件还可通过低成本的纺织技术编织成柔性透气的储能织物，变成人们的日常衣物。

但如今大多数研究团队仍处于产业化的早期阶段。比如麻省理工大学团队通过热拉伸工艺，研发出了全球最长的一体化柔性纤维电池。然而，该团队所生产的纤维电池需要较复杂的微加工技术，生产条件较为苛刻，生产成本也比较高。

彭慧胜团队研究的纤维锂离子电池目前已经进入了量产前的实验阶段。彭慧胜是最早提出“柔性充电织物”设想的人之一。2008年，其团队就开始研究新型柔性电池系统了，2013年提出并实现了新型纤维锂离子电池，为有效满足智能电子织物等可穿戴设备能源供给需求提供了新路径。2021年，彭慧胜团队解决了聚合物复合活性材料和纤维电极界面稳定性难题，实现了良好编织性能和良好电化学性能的纤维锂离子电池的连续制备，《自然》杂志将这一成果称作“储能领域和可穿戴技术领域的里程碑研究”。2024年该团队又攻克了“如何制备高安全性的纤维锂电池”这个阻碍柔性纤维电池规模化应用的最后一道难题，打通了柔性纤维锂电池从实验室到实用化的“最后一公里”。

彭慧胜是从爬山虎的孔道结构中获得灵感，对纤维电极的孔道结构做出调整，并设计出单体溶液，使之渗入到纤维电极的孔道结构中。单体发生聚合反应后，生成高分子凝胶电解质，与纤维电极形成紧密稳定的界面，从而能兼顾高安全性与高储能性能。

其实在设计柔性纤维电池的整个过程中，从原理、材料、设备到工艺方面的设计，彭慧胜团队都考虑了能否适应规模化生产要求。团队目前投入量产实验的柔性纤维电池，结构上采用的是制备简单、直径可调、更具规模化生产潜力的缠绕结构；电极采用的是高分子纤维复合金属材料电极；封装原料选择了以全氟乙烯丙烯共聚物为主要封装材料；封装工艺方面则采用了成本相对可控、利于规模化应用的限域涂覆工艺。

彭慧胜团队对《第一财经》杂志介绍，在储能、充放电时长等实用效果方面，其纤维电池已经与同体系商用电池十分接近。该团队生产的50厘米×30厘米大小的电池织物，容量达到2975毫安时，与常用手机电池相当，其在能量密度上已经突破200瓦时/千克，已初步达到同体系商业锂离子电池（200至300瓦时/千克）的水平；快充方面，纤维锂离子电池与同体系商业电池均可实现2C至4C倍率充电，即最快可以在半个小时内为电子设备补充50%到80%的电量；而快放方面，在1C和2C倍率电流放电下容量保持率分别为95%和90%，也与同体系商业电池性能相当。

该团队还考虑到由纤维电池编织成的柔性织物的亲肤性和透气性，甚至测试了在反复洗涤干燥后电池性能是否会出现明显下降。最终实验表明，其储能电池织物经过洗衣机100次洗涤及1万次摩擦实验后，电池性能基本未受影响。此外，纤维电池在经历10万次弯折变形后，电容量保持率仍大于96%，在高低温、机械破坏等极端条件下也有良好的安全性，即使剪断一部分也能有效供电。

目前，该款纤维电池的量产线上，每米纤维电池的生产成本是0.5元左右，每100瓦时纤维锂离子电池的综合产能成本约为240元，其中包括物料成本、能源成本（水电等）、人力成本和其他成本（设备折旧等）。这意味着纤维锂离子电池当前的生产成本，被控制在了普通商用锂电池生产成本5倍以内的水平。

和彭慧胜团队达成纤维电池量产合作的，是主营高纤维纺织物生产的泰和新材集团。泰和新材集团现在已经建成了纤维锂离子电池的产线，年产量预计超过10万米纤维电芯，产线每小时的产能超过300瓦时，相当于每小时成产的电池可为超过20部手机充电。该产线可以实现直径500微米的纤维电池的量产。不过，彭慧胜对《第一财经》杂志表示，现阶段的量产实验还远远不够，他呼吁更多产业化力量加入到纤维锂离子电池的量产实验中来，加快其产业化进程。

现阶段，充电背包、充电衣物等储能器件也不能由纤维电池单一编织完成，需要将纤维电池与普通纱线、皮革等编织或复合。不过，彭慧胜相信，未来实现可穿戴纤维电池产品完全由纤维锂离子电池编织而成“是没有问题的”。

而彭慧胜团队目前投入量产的纤维锂离子电池，能量密度已经接近材料极限，并且锂金属资源的稀缺性问题也正日益凸显。团队认为，钙氧电池因其高能量密度和低成本优势是最有可能实现商业化应用的下一代纤维电池之一。

以钙为负极的钙体系电池具有更高的能量密度，其中，钙氧电池具有最高的理论能量密度，且钙原料在自然界中广泛存在，相比锂更易取用，成本也更低。但钙氧电池的稳定性较差：钙金属负极具有高电化学活性，容易导致电解液被还原分解并在电极表面形成钝化层，使钙金属负极失效；其空气正极则具有高电极电势，容易导致电解液氧化分解，正极电化学性能迅速衰退。

彭慧胜团队正在试图解决这一问题。团队已制备出了一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质，这种电解质在室温下不仅表现出了高离子导率，还展示出稳定的电化学特性，在室温条件下进行电化学充放电，已稳定运行700次循环。在此基础上，团队已成功构建出同时具有高柔性和高安全性的钙氧纤维电池，这一成果，也发表在了2024年2月的《自然》主刊上。

不过，钙氧纤维电池距离实际应用仍存在阻碍：其电循环性能需要进一步提高；仍未完全解决的电池极化问题也严重限制了其电池体系的能量效率。

2017年，彭慧胜在一次演讲中还分享了其研究的一种太阳能电池纤维衣服。这款衣服的纤维使用高强度的碳纳米管。碳纳米管的一面镀上红色的光电活性材料，用于吸收太阳光产生电；另一面涂了另外一层电极膜，可把红色光电活性材料产生的电传去外电路。经过测试，太阳能电池纤维衣服一个白天（10小时）可发电6.1万毫安时，给手机反复充电36次。同时，尽管衣服发生弯折，太阳能电池纤维衣服依旧有着最高9.45%的光电转化效率。

一些团队也在研究利用其他环境实现供能的织物电器。东华大学材料科学与工程学院2024年就研发出了一种不需要任何外来电源的发光织物。这种织物可将周围环境的电磁波吸收转化为电信号，在织物与导体接触后，电信号会激发荧光层，从而让织物发光。

除了储能电池产品，柔性纤维还有很多应用场景，如柔性纤维电子屏幕、柔性纤维人体传感器等。西北工业大学柔性电子研究院的黄维院士团队与北京理工大学宋维涛教授就合作研制出了一种可用于人体健康监测的柔性纤维应变传感器，将该纤维传感器编织入衣物后，可实现对身体震颤、脉搏、呼吸、手势及6种人体运动姿态的实时监测。美国麻省理工学院的科学家则研发出了一种“降噪”织物，这种织物由一根根压电（指某些特定的材料在受到机械应力时，表面会产生电荷，从而形成电压）纤维组成。当噪音传来时，这些压电纤维会根据噪音的声波回馈同等频率的声波，从而实现对噪音的抵消。

彭慧胜团队对纤维柔性屏幕也有研究。“目前我们的纤维柔性显示系统，具备多色彩、高分辨率、高亮度等特性，可以通过无线传输信号，在36伏的人体安全电压下，以30赫兹的刷新率播放动态视频，像素点密度达到90PPI以上，通过调整驱动电压和频率，最高显示亮度达到了1000尼特，在室外条件下也可以清晰显示。”彭慧胜团队表示，“纤维柔性屏幕具备触控、自由手写、传感等多种功能，有比较广阔的应用场景与可观的发展前景。”

对于柔性纤维产品的未来，彭慧胜的愿景是，构建多功能全织物可穿戴闭环系统：人们可以仅仅通过身上穿的一件衣服，实现设备供电、健康检测、图片视频浏览、道路导航、智能语音助手呼叫等种种功能。

彭慧胜关于织物电器的最初设想起源于太空。他注意到，搭载太阳能板的火星登陆车在登陆火星展开探测后，由于外星的道路坑坑洼洼，刚性的太阳能电池在移动过程中很容易损坏。这让他产生一个想法：如果把电池做成柔性的，是不是就能容易地解决这个问题？

由于纤维电器在柔韧性、稳定性、安全性和抗极端环境打击的能力方面，都表现出了很强的潜力，纤维电器未来不仅可以成为探测车的供电电池，还完全有可能应用在太空服、太空舱，乃至探索宇宙所需要的各种设备上。

2024年10月29日，中国提出了登月计划，宣布第四批预备航天员不仅要执行空间站任务，未来也将执行载人登月任务。彭慧胜希望自己团队研发的织物电器设备在不久的将来也能跟随宇航员，踏上寻找“嫦娥”和“玉兔”的旅途。