跳动城乡网来自马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯应用物理实验室(APL)的研究人员建立了新的可扩展方法来开发电池和太阳能纤维，从理论上讲，可以从人们穿着的衣服中获取电能并将其储存在其中。
这些纤维可以为高性能可穿戴电子设备提供动力，使其能够像传统纺织品一样呼吸、伸展和清洗。
纤维电源方面的进展——可直接编织到织物中的亚毫米薄电池和光伏线——开辟了可穿戴电子产品和智能纺织品的全新世界。
患者不必携带装有笨重电池的心脏监测器，只需穿上一件编织有电池和太阳能纤维的衬衫即可。纤维供电的衣服可以加热，让人们在寒冷的环境中保持温暖，或与电池和太阳能纤维搭配，让士兵在战场上免提录音和录像。
“随着对电子纺织品的需求发生变化，需要可重复使用、耐用且可拉伸的小型电源，”APL物理、电子材料和设备助理项目经理兼该项目首席研究员KonstantinosGerasopoulos表示。
“我们的愿景是开发能够将阳光转化为电能的太阳能纤维和能够将所发电能储存在纺织品中的电池纤维。”
突破极限
制造和设计限制了纤维电池的可扩展性和性能。工业纺织设备已用于制造纤维电池，但其规模庞大，限制了其只能在与电池行业不兼容的专用设施中使用。标准纤维电池的性能也较低，因为电极通常扭在一起，这导致大部分电极表面不活跃。
现在，在《先进材料技术》杂志发表的一项研究中，APL的科学家展示了一种扩大纤维电池制造规模的新方法。
APL团队没有使用纺织设备，而是定制电池设备，以实现纤维电池所需的厚度。这一策略(包括创建定制的卷对卷设置)使该过程变得便携且适合大规模生产。制造纤维电池所需的所有设备都可以放在一个小房间里。
“我们在设计时始终考虑卷对卷兼容性，”该论文的主要作者RachelAltmaier说道。“我们需要能够连续运行所有流程，否则我们开发的内容就毫无意义。该流程可以纳入现有的生产线。”
电池由扁平的阳极和阴极电极条以及聚合物隔膜制成，它们一起送入加热的辊压机并层压成堆叠设计。其结构类似于传统的袋式电池(例如手机电池)，并且比标准纤维电池提供更强大的功率和性能。然后将堆叠物用激光切割成大约700微米宽的纤维状线，大约是五根人类头发的宽度。
这是首次在整组电池上使用激光切割技术，并证明了该方法在定制电池尺寸和保持性能方面的可行性。切割系统的快速性也使其具有可扩展性。
“我们可以在五个多小时内加工出100米长的纤维，”APL工程师、论文合著者JasonTiffany表示。“通过我们的工艺，我们可以使纤维变得更小、能量密度更高，这可以为纺织应用带来更多机会。”
纤维电池的研究工作丰富了该团队的技术工具箱，其中包括开发可以在极端条件下运行的柔性锂离子电池，以及安全、快速充电的电池。
在同样发表在《先进功能材料》上的第二篇论文中，APL团队还解决了制造可扩展、高性能光纤的挑战，这种光纤可以收集光并将其转化为电能。
“就像电池纤维一样，我们受到了非常高效和坚固的传统太阳能电池技术的启发，”Gerasopoulos说道。“我们问自己，如何才能将这些电源转化为纤维呢?”
“目前太阳能电池技术面临的最大挑战是其刚性，”太阳能电池论文的主要作者MichaelJin表示。“你可以想象将太阳能电池板(如屋顶上的太阳能电池板)缩小成微小的太阳能纤维是非常具有挑战性的。”
为了克服这一挑战，该团队利用了一种特殊类型的太阳能电池，这种电池的背面有正极和负极，形状像手指。从这种电池开始，研究人员在薄而柔韧的电路板上切割和组装微型太阳能电池，然后将它们密封在保护性聚合物中，形成一种纤维状的线。太阳能电池非常小，可以放在指纹脊线之间。
“我们利用标准的微电子制造工艺开发出一种新方法，将目前的刚性太阳能电池技术转化为灵活耐用的纤维，”金说。“即使将纤维弯曲8,000次后，我们也没有发现其性能有任何变化。”
为了进一步测试这些纤维的坚固性，研究团队在实验室中不断将它们暴露在光线下，模拟华盛顿杜勒斯国际机场在典型春季月份的总日照时数。然而，纤维效率仍然保持不变。
在概念验证中，研究人员使用定制的微型织机将尼龙和太阳能电池纤维编织成一块小纺织品。将纤维样品放在灯下，并将其连接到一块小电路板和LED闪光灯上，几秒钟内，纤维条就为闪光灯的闪烁红光供电。
将太阳能电池组装并封装到纤维基板上的方法也可扩展到其他来源。除了太阳能电池，还可以将传感器、LED或电池安装在柔性纤维的表面上，从而产生多种功能。
APL研究与探索开发部研究项目领域经理JeffMaranchi表示：“我们的团队一直在寻找创造最有效、最有弹性、最尖端电源的方法。”
“集成光能收集和电池纤维的纺织品可能会彻底改变当今可穿戴设备所能实现的功能。很快，这些纤维将实现基于织物的分布式供电、加热、通信和传感，同时提供普通纺织品的舒适性和便利性。”
