MIT工程師開發最長軟性纖維電池

作者 : MIT

MIT的研究人員開發了一種超長纖維形式的充電鋰離子電池,可用於編織成織物,使各種穿戴式電子裝置成為可能...

美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology;MIT)的研究人員開發了一種超長纖維形式的充電鋰離子電池,可用於編織成織物。這種電池可以使各種穿戴式電子裝置成為可能,甚至可以用來製造幾乎任何形狀的3D列印電池。

研究人員想像各種可能的應用,例如可以像普通衣服一樣穿著的自供電通訊、感測和運算裝置等,同時,裝置的電池也可以兼作結構元件。

在概念驗證中,新電池技術背後的團隊生產了世界上最長的軟性纖維電池,長度達140公尺,以證明該材料可以製造成任意長的長度。

這項研究已刊登於《今日材料》(Materials Today)期刊上。MIT博士後研究員Tural Khudiyev (現為新加坡國立大學助理教授)、前MIT博士後研究員Jung Tae Lee (現為慶熙大學教授)和Benjamin Grena SM ’13, Ph.D. ’17 (目前任職於Apple)是該論文的主要作者。其他共同作者還包括MIT教授 Yoel Fink、Ju Li 和 John Joannopoulos,以及MIT和其他單位共7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,包括發光二極體(LED)、光電感測器、通訊和數位系統。其中有許多都是可編織和可清洗的,使其適用於穿戴式產品,但迄今仍都有賴於外部電源供電。現在,這種可編織和可清洗的纖維電池已能使此類裝置完全獨立。

Fiber Battery

這種潛艇無人機由包裹在其表面的20公尺長纖維電池供電。(來源:MIT)

新的纖維電池採用新型電池凝膠和標準纖維拉伸系統製造,該系統從一個包含所有元件的較大圓柱體開始,然後將其加熱到略低於其熔點。材料透過一個狹窄的開口被拉出,以便將所有零件壓縮到原始直徑的一小部份,同時保持零件的所有原始排列。

由於凝膠電極和凝膠電解質,熱拉伸纖維電池(右)是耐火的,而帶有液體電解質的控制纖維電池(左)會立即著火並膨脹。(來源:MIT)

Khudiyev說,雖然其他人試圖製造纖維形式的電池,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,並帶有保護性外部塗層,從而直接使該版本穩定防水。他說,這是低於公里長的纖維電池之首次演示,該電池足夠長且非常耐用,可用於實際應用。

他們能製造出 140公尺長的纖維電池這一事實表明「長度並沒有明顯的上限。我們絕對可以做到公里級長度,」他說。使用新型光纖電池的演示設備整合了“Li-Fi”通訊系統——其中使用光脈衝傳輸資料,並包括麥克風、前置放大器、電晶體和二極體,以在兩者之間建立光學資料連結兩個編織織物裝置。

「當我們將活性材料嵌入纖維中時,這意味著敏感的電池元件已經具有良好的密封性,」Khudiyev 說,「而且所有的活性材料都整合地非常好,因此在繪圖過程中並不會改變位置」。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1百萬,這遠遠超過其他設計,因而能使用標準編織設備來實現包含電池和電子系統的織物。

他說,迄今為止生產的140公尺光纖儲能容量為 123 毫安培/時,可以為智慧手錶或手機充電。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。

「相較於需要整合多個光纖裝置的其他方法,我們的方法之所以美妙在於它可以在單個光纖中嵌入多種裝置。」Lee 說,他們展示了 LED 和鋰離子電池在單根光纖中的整合,他並預期未來在如此小的空間內可以組合三四個以上的裝置。「當我們將這些包含多裝置的光纖整合在一起時,聚合的力量將驅動緊湊型織物電腦的實現。」

除了可以編織成2D織物的單個1D纖維外,該材料還可以用於3D列印或客製形狀系統以創建固體物體,例如可以提供結構的外殼及其電源。為了展示這種能力,研究人員透過一艘玩具潛艇,用電池纖維包裹起來為其提供動力。將電源整合到此類裝置的結構中可以降低整體重量,從而提高其可實現的效率和範圍。

「這是纖維電池裝置的首次3D列印。」Khudiyev 說,「如果你想透過包含電池裝置的3D 列印製造複雜的物體,這是第一個可以實現這一目標的系統。列印後,你不需要添加任何東西,因為一切都在纖維內部,包括所有的金屬、所有的活性材料。這只需一步列印,也是第一次。」

這意味著現在,他說,「運算單元可以加進日常物品中,包括 Li-Fi。」

該團隊已經為此過程申請了專利,並繼續開發功率容量和用於提高效率的不同材料。Khudiyev 說,這種纖維電池可以在幾年內準備好用於商業產品。

該研究並得到了美國國家科學基金會(NSF) MIT MRSEC 計畫、美國陸軍研究實驗室(U.S. Army Research Laboratory)、NSF研究生研究獎學金計畫和韓國國家研究基金會(National Research Foundation;NRF)的支持。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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