纤维状碳纳米管电池可织成“能源衣”

若从最近谷歌眼镜（Google Glass）的新品发布和苹果iWatch智能腕表即将上市的种种迹象来看，可穿戴电子产品将可能掀起下一个新科技浪潮。为了解决这类产品的电力供应问题，中国上海复旦大学的研究人员首次制备出基于碳纳米管（CNT）的纤维状全锂离子电池，可被灵活地编织成具有高性能的柔性能源纺织品。该研究成果发表在最新一期的《纳米快报》上。

从头部显示到生物医学监测，可穿戴式电子产品可以提供许多先进的功能，对电池的要求很高，不仅体积小、重量轻，还必须具备满足设备运行诸多功能所需的强大能量。因此，可穿戴式电子产品最大的技术瓶颈即是电池。

据物理学家组织网5月27日报道，新的研究设计和编制的碳纳米管（CNT）复合纱线，可牢牢缠绕进棉纤维之中，创建出高性能的锂离子电池。该纤维的直径为1毫米左右，可以编织成柔性的织物或布料，并且与灵活的可佩戴电子设备兼容。

参与这项研究的翁伟（音译）说：“这种电源能够被直接无缝集成到可穿戴式的电子产品是非常必要的。由于它需要被灵活地织成衣物，纤维状的电源是最理想的。虽然这是初次实现碳纳米管纤维状锂离子电池，它却表现出非常好的电化学性能，包括高能量密度达0.75兆瓦时/平方厘米，并在经过100次使用周期后，电池保有容量达87％。”

设计纤维状锂离子电池的最大挑战之一，是广为人知的硅膨胀问题。在充电/放电过程期间会发生化学反应，硅的体积经受巨大的变化可达300％。为适应这种情况，研究人员引入碳纳米管制成一个复合CNT/硅纱阳极。碳纳米管有效缓冲了硅的体积变化，并将其牢固化。如果没有这种混合结构，硅的膨胀会使其剥落，导致电池损坏。

对于制作阴极的材料，研究人员采用碳纳米管和锰酸锂，其好处是高稳定性、工作电压高和成本低。通过将由凝胶电解质分隔的阳极和阴极基于CNT的纱线缠绕进棉纤维，这种锂离子电池就可编织成一个柔性织物。

此前，研究人员曾尝试制造超级电容器纤维，但由于锂离子电池纤维难以制造，便没有把太多的关注投入其中。然而，锂离子电池具有一定的优势，例如更高的能量密度和较低的自放电损失，相比超级电容器，它们为一般的可佩戴电子设备提供了更好的选择。研究人员解释说，在这方面，目前的工作是基于之前的研究有所改善，但仍然有进一步改进的余地。

研究人员说：“2012年的报道称，锂离子电池使用铜线作为骨架，具有类似电缆型的形状。其结果是很棒的，但由于这种电池具有大直径、使用液态电解质，并且很重，也许不适合织成能源纺织品。现在采用碳纳米管纤维作为其骨架，密度接近铜的1/9，并且使用凝胶电解质以确保安全性。另外，复合纱线的阳极和阴极由碳纳米管纤维，以及直径为100μm，仅是电缆电池中阳极1/10的活性材料制成，因此这种纤维状电池与用于制衣的聚合物纤维兼容，实现了高性能的电池。”

在未来，研究人员计划在各种领域进一步改善这种纤维电池。研究人员说：“首先，提高性能，如容量和循环寿命；其次，规模化生产；第三，其他功能将被合并，例如拉伸、变色和自供电。”（来源：科技日报 华凌）

Winding Aligned Carbon Nanotube Composite Yarns into Coaxial Fiber Full Batteries with High Performances

Abstract Inspired by the fantastic and fast-growing wearable electronics such as Google Glass and Apple iWatch, matchable lightweight and weaveable energy storage systems are urgently demanded while remaining as a bottleneck in the whole technology. Fiber-shaped energy storage devices that can be woven into electronic textiles may represent a general and effective strategy to overcome the above difficulty. Here a coaxial fiber lithium-ion battery has been achieved by sequentially winding aligned carbon nanotube composite yarn cathode and anode onto a cotton fiber. Novel yarn structures are designed to enable a high performance with a linear energy density of 0.75 mWh cm–1. A wearable energy storage textile is also produced with an areal energy density of 4.5 mWh cm–2.

原文链接：http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/nl5009647

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