《Materials Today》可充电锂离子电池诞生,长达140米,还能用来3D打印

3D打印资讯
2022
01/28
16:40
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来源:科研圈

美国麻省理工学院的研究者们开发出了一种超长纤维形态的可充电锂离子电池,可以被纺织成织物。这种电池或许可以使可穿戴电子设备量产成为可能,还可以通过 3D 打印被制成各种各样的形状。
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可以像普通衣物一样穿在身上,并且能自主供电的通讯装置、传感器和计算装置越来越多。在这些设备中,它们的电池同样也起到结构部件的功能。在一项概念验证试验中,研究团队制作出了长达 140 米、世界上最长的柔性纤维电池,以此证明这种材料可以被制作成任意的长度。这项研究发表在《今日材料》(Materials Today)期刊上。麻省理工学院(MIT)博士后 Tural Khudiyev(现为新加坡国立大学助理教授)、前MIT博士后 Jung Tae Lee(现为韩国庆熙大学教授)和现任职于苹果公司的 MIT 博士生 Benjamin Grena 是该成果的主要作者。其他合著者还包括MIT教授 Yoel Fink,Ju Li 和 John Joannopoulos 等七位学者。

在此之前,包括这个科研团队在内的研究者们已经研发出了许多种包含电子器件的纤维,包括 LED、光学传感器、通讯设备和数字化系统。这当中有许多都是可纺织甚至可洗涤的,这使得它们可以用在可穿戴电子设备中。但是目前为止,这些设备都要依赖于外接电源来工作。现在,这种同样可纺织且可洗涤的纤维电池能让上述设备都具有自主供电的能力。

这种新型纤维电池使用先进的电池凝胶和常见的纤维拉伸设备生产。首先将所有的材料组装在一起制成一个大圆柱,然后将其加热到接近熔点。接下来,这些材料会被拉伸穿过一个很细的出口,使得它可以被压缩成很细的纤维,同时各种材料之间的排列方式不会发生变化。

Khudiyev 表示,其他人在研发纤维电池时,总试图让最关键的材料处于纤维的外层。而他们开发的纤维将锂离子和关键材料都包裹在里面,处于外层的保护之下。这不但稳定,而且防水。这是世界上第一种亚千米长度的纤维电池,它不仅够长,而且足够耐用。

既然研究者可以制作出 140 米长的纤维电池,这也就意味着这种电池“不存在明显的长度上限,我们完全可以把它延长到千米尺度,”Khudiyev 说。他们还用这种纤维电池制作了一套验证设备,“Li-Fi”通讯系统(一种使用光脉冲传输数据的装置)。它包含麦克风、前置放大器、中继器和二极管。通过这些设备,研究者在两套纤维织成的设备之间构成了光学数据连接。

“当我们将活性材料嵌入纤维中时,也就这意味着敏感的电池组件具有了良好的密封性,”Khudiyev 这样说道,“所有的活性材料都被紧密整合在了一起,在拉伸过程中它们的位置不会发生变化。”除此之外,最后制造出的纤维电池比预想更薄,更柔软,长宽比达到数百万倍,远远高于其他设计方案。这使得它可以被常规的纺织设备加工,制造内嵌了电池和其他电子系统的纺织物。

如他所说,这条 140 米长的纤维电池目前能储存 123 毫安时的电能,可以为智能手表或手机充电。它的直径只有几百微米,比以往任何纤维电池都要细。

“我们这项方案的优美之处在于,我们可以将多种设备嵌入进一根纤维中,”Lee 如是说,“这和其他需要聚合多种不同的纤维设备的技术都截然不同。”他们已经成功将 LED 和锂离子电池融合进了一根纤维里,并且相信未来可以将三种甚至四种不同的设备都安置进这一微小空间内。“我们可以将多种设备融合进一根纤维内,这种整合结构一定可以推动纤维计算机的发展。”

在独立的一维纤维和它纺织二成的二维织物之外,这种材料也可以被 3D 打印成特定的形状,比如能够给设备供电的外壳。为了证明这种潜力,研究者用这种材料给一只玩具潜水艇制作了一个外壳,能给艇身供电。将能源嵌入到结构部件中可以降低设备的整体重量,提高她的效率,扩大使用范围。

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“自带”电源外壳的玩具潜水艇。图片来源:Courtesy of Tural Khudiyev, Jung Tae Lee, Benjamin Grena, Yoel Finket al
https://www.eurekalert.org/multimedia/815519

“这是世界上第一款用纤维电池材料 3D 打印出来的设备,”Khudiyev 说道。如果你想要通过 3D 打印制作包含电池的装置,目前为止这是唯一可以达成这个目标的技术。“打印完成后,你不需要再加装任何东西,因为所有的器件都已经存在于纤维内部了。这是首个一步到位的打印技术。”

这意味着如今 “运算单元和 Li-Fi 可以被装在任何日常物品内。”

该研究团队已经就这项技术申请了专利,并且着手继续改进它的容量和多样性。Khudiyev 表示,这款纤维电池在未来几年内就可以被用在产品上推向市场。

https://www.eurekalert.org/news-releases/938580





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