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麻省理工大學研究人員開發了一種超長纖維形式的可充電鋰離子電池，可以編織成織物。這種電池可以使各種可穿戴電子設備成為可能，甚至可以用來制造幾乎任何形狀的 3D 打印電池。
研究人員設想了可以像普通衣服一樣穿著的自供電通信、傳感和計算設備的新可能性，以及電池也可以兼作結構部件的設備。
在概念驗證中，新電池技術背后的團隊生產了世界上最長的柔性纖維電池，長 140 米，以證明該材料可以制造成任意長的長度。這項工作今天在“今日材料”雜志上進行了描述。麻省理工學院博士后 Tural Khudiyev（現為新加坡國立大學助理教授）、前麻省理工學院博士后 Jung Tae Lee（現為慶熙大學教授）和 Benjamin Grena SM '13, Ph.D. '17（目前在 Apple）是該論文的主要作者。其他合著者是麻省理工學院教授 Yoel Fink、Ju Li 和 John Joannopoulos，以及麻省理工學院和其他地方的其他七人。
包括該團隊成員在內的研究人員此前已經展示了包含多種電子元件的纖維，包括發光二極管 (LED)、光電傳感器、通信和數字系統。其中許多是可編織和可清洗的，使它們適用于可穿戴產品，但迄今為止都依賴于外部電源。現在，這種可編織和可清洗的纖維電池可以使此類設備完全獨立。
新的纖維電池是使用新型電池凝膠和標準纖維拉伸系統制造的，該系統從一個包含所有組件的較大圓柱體開始，然后將其加熱到略低于其熔點。材料通過一個狹窄的開口被拉出，將所有零件壓縮到原始直徑的一小部分，同時保持零件的所有原始排列。
Khudiyev 說，雖然其他人試圖制造纖維形式的電池，但這些電池的結構是在纖維外部使用關鍵材料，而該系統將鋰和其他材料嵌入纖維內部，并帶有保護性外部涂層，從而直接使版本穩定防水。他說，這是亞公里長纖維電池的首次演示，該電池足夠長且非常耐用，可用于實際應用。
他們能夠制造出 140 米長的纖維電池這一事實表明“長度沒有明顯的上限。我們絕對可以做到千米級長度，”他說。使用新型光纖電池的演示設備集成了“Li-Fi”通信系統——其中使用光脈沖傳輸數據，并包括麥克風、前置放大器、晶體管和二極管，以在兩者之間建立光學數據鏈路兩個機織織物裝置。
“當我們將活性材料嵌入纖維中時，這意味著敏感的電池組件已經具有良好的密封性，”Khudiyev 說，“并且所有活性材料都非常好地集成在一起，因此它們在繪圖過程中不會改變它們的位置”過程。此外，由此產生的纖維電池更薄、更靈活，產生的縱橫比，即長寬比，高達一百萬，這遠遠超過其他設計，這使得使用標準編織設備來實現創建包含電池和電子系統的織物。
他說，迄今為止生產的 140 米光纖的儲能容量為 123 毫安時，可以為智能手表或手機充電。纖維裝置的厚度只有幾百微米，比以往任何以纖維形式生產電池的嘗試都要薄。
“我們的方法的美妙之處在于我們可以在單個光纖中嵌入多個設備，”Lee 說，“與需要集成多個光纖設備的其他方法不同。”他們展示了 LED 和鋰離子電池在單根光纖中的集成，他說相信未來在如此小的空間內可以組合三四個以上的設備。“當我們將這些包含多設備的光纖集成在一起時，集合將推動緊湊型織物計算機的實現。”
除了可以編織成二維織物的單個一維纖維外，該材料還可以用于 3D 打印或定制形狀系統以創建固體物體，例如可以提供結構的外殼設備及其電源。為了展示這種能力，一艘玩具潛艇用電池纖維包裹起來為其提供動力。將電源整合到此類設備的結構中可以降低整體重量，從而提高它們可以實現的效率和范圍。
“這是纖維電池設備的首次 3D 打印，”Khudiyev 說。他說，“如果你想通過包含電池裝置的3D 打印制造復雜的物體” ，這是第一個可以實現這一目標的系統。“打印后，你不需要添加任何其他東西，因為一切都在纖維內部，所有金屬，所有活性材料。這只是一步打印。這是第一次。”
這意味著現在，他說，“計算單元可以放在日常物品中，包括 Li-Fi。”
該團隊已經申請了該工藝的專利，并繼續開發功率容量和用于提高效率的材料變化的進一步改進。Khudiyev 說，這種纖維電池可以在幾年內準備好用于商業產品。
該研究得到了美國國家科學基金會 MIT MRSEC 計劃、美國陸軍研究實驗室通過士兵納米技術研究所、美國國家科學基金會研究生研究獎學金計劃和韓國國家研究基金會的支持。