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中国科学家解决智能穿戴品最大技术瓶颈


文章作者:www.orrapin.com 发布时间:2020-01-20 点击:1554



中国科学家解决智能穿戴品最大技术瓶颈

从谷歌眼镜新产品的最新发布以及苹果iwatch智能手表即将上市的各种迹象来看,可穿戴电子产品可能会掀起下一波新技术浪潮。然而,从头部显示到生物医学监控,可穿戴电子产品可以提供许多高级功能,并且对电池有非常高的要求。它们不仅体积小、重量轻,而且必须具有满足设备许多功能所需的强大能量。因此,可穿戴电子产品的最大技术瓶颈是电池。为了解决这类产品的供电问题,中国上海复旦大学的研究人员首次制备了基于碳纳米管(cnt)的纤维状全锂离子电池,可将其柔性编织成高性能的柔性能量纺织品。

据相关报道,碳纳米管(cnt)复合纱的新研究、设计和制备可以牢牢缠绕在棉纤维上,打造高性能锂离子电池。纤维直径约为1毫米,可编织成柔性织物或布,与柔性可穿戴电子设备兼容。参与这项研究的翁伟(Weng Wei)表示:“这种电源能够直接无缝地集成到可穿戴电子产品中是非常必要的。因为它需要灵活地织入衣服,纤维电源是最理想的。尽管这是第一次实现碳纳米管纤维锂离子电池,但它显示出非常好的电化学性能,包括0.75兆瓦小时/平方厘米的高能量密度,以及100次使用循环后87%的电池保持能力。”

设计纤维状锂离子电池的最大挑战之一是众所周知的硅膨胀问题。化学反应发生在充放电过程中,硅的体积发生了高达300%的巨大变化。为了适应这种情况,研究人员引入碳纳米管来制造复合碳纳米管/硅纱线阳极。碳纳米管有效地缓冲硅的体积变化并使其固化。没有这种混合结构,硅的膨胀会导致它剥落,导致电池损坏。对于阴极材料,研究者使用碳纳米管和锰酸锂,它们具有稳定性高、工作电压高和成本低的优点。锂离子电池可以通过将由凝胶电解质分开的阳极和阴极的cnt基纱线卷绕成棉纤维而编织成柔性织物。

研究人员以前曾尝试制造超级电容器纤维,但由于制造锂离子电池纤维的困难,他们没有太多的关注。然而,锂离子电池具有某些优点,如较高的能量密度和较低的自放电损耗。与超级电容器相比,它们为一般可穿戴电子设备提供了更好的选择。研究人员解释说,在这方面,目前的工作是基于以前研究的改进,但仍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,形状像电缆。结果很好,但是因为电池直径大,使用液体电解质,而且非常重,所以可能不适合编织成能量纺织品。目前采用碳纳米管纤维作为骨架,密度接近铜的1/9,使用凝胶电解质保证安全性。另外,复合纱的阳极和阴极由碳纳米管纤维制成,直径为100μm,仅为电缆电池阳极活性材料的1/10。因此,这种纤维电池与用于服装的聚合物纤维兼容,从而实现高性能电池。”

未来,研究人员计划在各个领域进一步改进纤维电池。研究人员说:“首先,提高性能,如容量和循环寿命;第二,大规模生产;第三,将结合其他功能,如拉伸、变色和自供电。”

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