可穿戴设备用柔性纤维锂离子电池

麻省理工学院的研究人员开发了一种超长纤维形式的可充电锂离子电池，这种电池可以编织到织物中。这种电池可以用于各种各样的可穿戴电子设备，甚至可以用于制造几乎任何形状的3d打印电池。

研究人员设想了自供电通信、传感和计算设备的新可能性，这些设备可以像普通衣服一样穿着，以及电池也可以作为结构部件的设备。

在概念验证中，新电池技术背后的团队已经生产出了世界上最长的柔性纤维电池，长140米，以证明这种材料可以被制造到任意长的长度。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，博士' 17(目前就职于苹果公司)是这篇论文的主要作者。其他合著者包括麻省理工学院教授约尔·芬克、李菊和约翰·乔诺普洛斯，以及其他七位来自麻省理工学院和其他地方的教授。

包括该团队成员在内的研究人员此前已经演示了包含各种电子元件的光纤，包括发光二极管(led)、光电传感器、通信和数字系统。其中许多都是可编织和可清洗的，这使得它们在可穿戴产品中实用，但到目前为止，所有这些都依赖于外部电源。现在，这种纤维电池，也是可编织和可清洗的，可以使这种设备完全独立。

这种新型纤维电池使用新型电池凝胶和标准的纤维拉伸系统制造，该系统从一个包含所有组件的大圆筒开始，然后将其加热到略低于熔点。材料通过狭窄的开口拉伸，将所有零件压缩到其原始直径的一小部分，同时保持所有零件的原始排列。

胡迪耶夫说，虽然其他人曾试图以纤维形式制造电池，但那些电池的结构都是在纤维的外部使用关键材料，而这种系统将锂和其他材料嵌入到纤维内部，并在外面涂上一层保护涂层，从而直接使这种电池稳定和防水。他说，这是亚公里长的光纤电池的首次展示，这种电池既足够长，又非常耐用，可以用于实际应用。

事实上，他们能够制造一个140米长的纤维电池，这表明“长度没有明显的上限。我们绝对可以做到千米尺度的长度。”使用新型光纤电池的演示设备集成了“Li-Fi”通信系统(其中光脉冲用于传输数据)，并包括麦克风、前置放大器、晶体管和二极管，以在两个编织织物设备之间建立光学数据链路。

“当我们将活性材料嵌入到纤维中时，这意味着敏感电池组件已经具有良好的密封性，”Khudiyev说，“所有活性材料都非常好地集成在一起，所以在拉伸过程中它们不会改变位置。”此外，由此产生的纤维电池更薄，更灵活，产生长宽比，即长宽比，高达100万，这远远超出了其他设计，这使得使用标准编织设备来创建包含电池和电子系统的织物变得可行。

他说，目前生产的140米光纤的储能能力为123毫安小时，可以为智能手表或手机充电。这种纤维电池的厚度只有几百微米，比之前任何以纤维形式生产电池的尝试都要薄。

Lee说:“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，而不像其他方法需要集成多个光纤设备。”他们展示了LED和锂离子电池在一根光纤中的集成，他相信未来可以在这么小的空间里组合超过三到四个设备。“当我们整合这些含有多种设备的纤维时，聚合物将推进紧凑织物计算机的实现。”

除了单个的一维纤维(可以编织成二维织物)，这种材料还可以用于3D打印或定制形状的系统，以创建固体物体，例如既可以提供设备结构又可以提供电源的外壳。为了证明这种能力，一艘玩具潜艇被电池纤维包裹以提供动力。将电源整合到这种设备的结构中可以降低整体重量，从而提高效率和范围。

“这是第一个3D打印的纤维电池设备，”Khudiyev说。他说，如果你想通过3D打印制作包含电池设备的“复杂物体”，这是第一个可以实现这一目标的系统。“打印之后，你不需要添加任何其他东西，因为所有的东西都已经在纤维里了，所有的金属，所有的活性材料。这只是一步打印。这还是第一次。”

他说，这意味着现在“计算单元可以放在日常物品中，包括Li-Fi。”

该团队已经为这一工艺申请了专利，并将继续进一步提高功率容量，改进用于提高效率的材料。胡迪耶夫说，这种纤维电池可以在几年内用于商业产品。

德国明斯特大学(University of munenster)物理化学教授马丁·温特(Martin Winter)没有参与这项工作，他说:“这种新型电池的形状灵活性使得以前不可能实现的设计和应用成为可能。”他称这项工作“非常有创意”，并补充道:“就像大多数关于电池的学术工作现在都在关注电网存储和电动汽车一样，这是对主流的一个奇妙的偏离。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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