22岁中国博士生研发锌离子电池纤维，1000次的充放电后，仍保持98%容量
FUTURE远见| 2021-12-10
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22 岁在名校读博二，并在 Science 子刊发表封面论文是怎样的体验？
近日，来自江西萍乡的 99 年小伙肖潇，研发出一款毫米薄的无线可充电纤维电池，它可被编织到衣服中，借此能组装成电子网络枢纽。
据了解，本科时肖潇曾在中科院理化所江雷院士课题组和澳洲超导与电子材料研究所窦士学院士课题组接受科研训练，随后来到加州大学洛杉矶分校陈俊教授课题组攻读博士学位。此次论文，也是他第十次发封面论文。
在该研究中，他把纤维电池集成到衬衫中，并嵌入传感器、电路和无线充电终端，借此证明了电池在户外运动条件下的工作能力。
他表示该研究要解决的问题在于：当前主流的柔性电极体系：锂电池、超级电容器和水系电池等体系，都存在一定问题。
比如，柔性锂离子电池具有更高的能量密度，但人们对其安全性的担忧，限制了它的广泛应用。柔性超级电容器具有较高的功率密度，但能量密度低、放电时间短限制了其实际应用。
而锌离子电池是一种很有前途的柔性能源存储技术，在理论上具备高容量、低成本、高安全性等特点。然而，制备电池内电荷流动的凝胶电解质，已被证明具有一定难度，使用此前方法制备出来的电池，其机械性能和离子电导率往往比较差。
基于此，肖潇所在团队改良了柔性锌离子电池体系，并联合研发出无线可充电纤维电池，尺寸只有毫米级纤细，因此可编织到智能衣物中，进而能成为电子设备网络的枢纽。
像人类皮肤一样有弹性
12 月 3 日，相关论文以《电子纺织品用超薄可充电固态锌离子纤维电池》（An Ultrathin Rechargeable Solid-State Zinc Ion Fiber Battery for Electronic Textiles）为题，发表在 Science Advances 上，并成为当期封面论文。
该研究由加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院生物工程系助理教授陈俊领导，北航宫勇吉教授、澳洲伍伦贡大学李维杰研究员共同通讯，清华大学丁文伯教授和加拿大英属哥伦比亚大学塞尔哈蒂·佩曼（Servati Peyman）教授课题组参与，并由肖潇担任第一作者。
肖潇还把电池制备到只有 1 毫米的纤维，事实证明它和人类皮肤一样有弹性，可以拉伸 230%。
在充放电方面，它和锂离子电池很相似，具备稳定的充放电能力。测试中，在 500 多小时、累计 1000 次的充电/放电循环之后，它依然能保持 98% 的容量（172.2 mAh·g-1），这意味着即便用于日常使用，也能保持较长寿命。
当连接到无线充电终端时，电池可进行无线充电；也可通过智能手机、或其他设备进行无线充电。
另据悉，一根 15cm 长的电池，整体重量仅有 1.26 克，成本大约 4.08 元，后续再进行相关的工艺改良，即可适应大规模生产。
氧化石墨烯薄片让电池更具扩展性
具体来说，这是一种锌锰电池，它使用的电解质，是由聚乙烯醇水凝胶、以及氧化石墨烯薄片这两种常见材料，以简单、可扩展的方式制成的。
那些均匀散布在水凝胶中的薄片，有助于让电解质产生每厘米 21 毫的高离子电导率，这些薄片相当于锂离子电池中使用的电解质。水凝胶的好处在于，可使电解质变得灵活，甚至能够自我愈合，当材料被切割时，只需让切割的碎片接触起来，就足以将它们粘在一起。
该团队此前曾开发出一种类似于智能服装的纱线用锌离子电池。然而，之前电池的能量密度较低，也依赖于相对昂贵的碳纳米管，而本次他们使用了氧化石墨烯薄片，这让电池变得更加可扩展。
概括来说，该电池纤维具备超薄、纤细、耐用等特点，它的设计过程如下：先把蒙特卡洛方法和有限元模拟技术，进行创造性结合；再从分子层面到整体性能，就二维材料氧化石墨烯、在聚乙烯醇高分子凝胶体系中的分散情况，做以系统性的详细解释。
然后去计算模拟结果，借此来指导材料设计和制造，这时就能制备出柔性固态电解质凝胶，其中嵌入了氧化石墨烯作为电解质，故可具备柔韧性、坚固性、以及高离子导电性等优点。
这样使得纤维电池具有纤细、耐用、以及高生物相容性，因此可长期、有效地给设备供能。针对测脉搏、测温、测湿、测压等设备，该电池均可提供长久、有效的供能。
通过把纤维封装在硅胶中，这些电池可在空气中保持稳定，并且足够防水，即使浸在水中也能供电。此外，该电池还装有硅胶外壳，以保护人体皮肤免受与电解质的潜在接触。
相比其他松散连接的电极，利用水凝胶电解质，该电池电极可被设计成一个整体，就算遇到拉伸、弯曲或清洗，电池照样能正常工作。
之所以用锌离子代替电池，而不是流行的锂离子，因为锌更安全、更具备生物相容能力、也能更环保。
由于水凝胶电解质的制造过程，涉及到将液体转化为水凝胶状态的过程，因此电池的阴极和阳极可通过凝胶电解质，集成为具有连续无缝界面连接的整体结构。
相比传统堆叠结构，一体式结构的好处在于，可确保在外部变形下持续产生有效负载、以及持续具备离子传输能力。原因在于整体式架构避免了相邻组件层之间的相对位移、或分离，从而实现了出色的结构和电化学稳定性。
此外，一体式集成配置还可通过简化结构，来有效降低器件厚度，这有利于提高电池的灵活性和电化学性能。
在该研究中，纳米二氧化锰正极是由水热法制备的。从 X 射线衍射、X射线光电子能谱表征和扫描电子显微镜图像来看，所制备的纳米二氧化锰显示出较高的结晶度、以及清晰的层状纳米结构。
成为纺织人体局域网的枢纽
肖潇和团队认为，这种电源可作为纺织人体局域网的枢纽，类似于连接电脑和外部设备的局域网。受这一想法启发，他们将纤维电池集成到一件衬衫中，其中嵌入了多个传感器、电路和一个无线充电终端。
这款衣服可以测量心率、温度、湿度和海拔信号，并通过蓝牙将数据无线发送到智能手机上，一名志愿者在攀爬时佩戴它进行测试，显示它在锻炼时可以在户外工作。
日常穿着中的一个关键挑战在于，必须构建出高度安全、且灵活的储能装置，可以弯曲、刺穿甚至浸泡在水中，同时在机械变形下保持其电化学功能。
锌离子电池纤维具有高度的柔韧性，可以贴合人体皮肤，并具有出色的机械强度。即便在弯曲状态下，它的能力也比较出色，当弯曲到各种角度或完全折叠时，其形状仍可保持一致。
研究中，肖潇模拟出一根 3 厘米长的锌离子电池纤维，并查看电池在两端承受 2N 垂直载荷时的弯曲应力和变形。他发现，人体肌肉可轻松提供大小类似的负荷，而不会造成任何负担或伤害。
此外，电池中的其他成分比如锌线、碳线、水凝胶电解质、以及硅胶均具备良好的应变兼容性。在大变形过程中，由于复合结构的组装比较紧密，因此没有任何脱聚和分离，这保证了使用时的可靠性和安全性。
另据悉，锌离子电池纤维的杨氏模量与弹性蛋白大约为 0.6MPa，而年轻人皮肤的弹性蛋白为 0.42MPa，老年人的皮肤弹性蛋白大约为 0.85MPa。所以，锌离子电池纤维能很好地与生物组织变形相契合。
在封装过程中，肖潇还发现，锌离子电池纤维在空气中稳定且防水，这意味着它在日常条件下可以持续供电。 电池纤维中储存的能量，即便在有水的条件下也可进行稳定释放和充电，经过 500 次以上的电化学循环后，电池容量没有明显损失。
肖潇表示，锌离子电池具备卓越的能量和功率密度。连同它的重量轻、灵活性和可编织性等引人注目的特性，它将成为前所未有的可穿戴电源的合适候选者。
概括来说，他从基本原理与实践出发，提出一套完备的二维-聚合物复杂掺杂体系的计算模拟方法，基于此设计出了高性能无线可充电纤维电池，并验证了纤维电池的供电能力和稳定性。
据英国剑桥新兴技术分析公司 IDTechEx 统计数据显示，可穿戴产品越来越受欢迎，2020 年总市场价值近 800 亿美元，自 2014 年以来，年收入增长了两倍。因此，肖潇和团队试图为这类设备开发越来越强大的能源，借此让设备更加灵活，从而舒适地适应人体。
参考链接： Xiao et al., Sci. Adv. 7,eabl3742 (2021)
https://doi.org/10.1126/sciadv.abl3742
头图来源：
Science Advances 2021年第49期封面
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