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一项新的研究发现 , 毫米厚度的无线可充电光纤电池可以织入衣服中 , 作为可穿戴电子网络的中枢 。
据英国剑桥新兴技术分析公司IDTechEx的数据显示 , 可穿戴电子产品正变得越来越受欢迎 , 2020年的总市场价值接近800亿美元 , 相比2014年以来的年收入增长了三倍 。 因此 , 研究人员试图为可穿戴设备开发越来越强大的能源 , 这些设备也具有足够的灵活性 , 能够舒适地适应人体 。
尽管柔性超级电容器具有较高的功率密度 , 但其相对较低的能量密度和较短的放电时间限制了其实际应用 。 柔性锂离子电池具有更高的能量密度 , 但对其安全性的根本担忧限制了其在可穿戴技术中的广泛应用 。
锌离子电池是一种很有前途的可穿戴式柔性储能技术 , 理论上具有高容量、低成本和良好的安全性的特点 。 然而 , 有助于这些电池内电荷流动的凝胶电解质已被证明难以制造 , 并且通常具有较差的机械性能和较低的离子导电性 。
现在 , 科学家们已经开发出了能量密度相对较高的可充电锌离子电池 , 其能量密度为每公升91瓦时 , 与每公升250至670瓦时的锂离子电池能量密度相当 。 他们可以将电池制作成直径只有一毫米的纤维 , 这种纤维被证明与人类皮肤一样有弹性 , 能够拉伸230%而不断裂 , 成本低 —— 每15厘米0.64美元 , 重量轻 —— 每15厘米1.26克 。
“智能服装是我们的目标 , ”研究负责人Xiao Xiao说 , 他是洛杉矶加利福尼亚大学的电气工程师 。
Xiao教授表示 , 新型锌锰电池使用了一种电解液 , 该电解液由两种常见材料制成 , 一种是聚乙烯醇水凝胶 , 另一种是氧化石墨烯薄片 。 均匀地洒在水凝胶上的薄片有助于使电解液具有每厘米21millisiemens的高离子电导率 , 与锂离子电池中使用的电解液大致相当 。 这种水凝胶使电解质具有柔韧性 , 甚至在材料被切割时能够自我修复 , 使切割的碎片接触足以将它们粘合在一起 。
之前的研究开发了一种类似纱线的锌离子电池 , 用于智能服装 。 然而 , 这项先前的工作显示出较低的能量密度 , 并且还依赖于相对昂贵的碳纳米管 , 而这项新的工作可能由于使用氧化石墨烯薄片而更具可扩展性 。
在实验中 , 新的纤维电池在500多小时的放电和充电过程中表现出稳定的性能 , 在1000多次这样的循环后保持98%的容量 。 科学家们注意到 , 当连接到无线充电终端时 , 这些电池可以无线充电 , 也可以通过智能手机或其他设备进行无线充电 。
通过将这些纤维封装在硅树脂中 , 研究人员使这些电池在空气中稳定 , 防水性好 , 即使在水中也能供电 。 这些鞘层还保护人类皮肤免受电池的伤害 。
研究人员建议 , 这种可穿戴电源可以作为纺织体区域网络(TBAN)的中枢 , 类似于连接家庭和办公室计算机和外围设备的局域网 。 受这个想法的启发 , 他们将光纤电池整合到一件衬衫中 , 在衬衫中嵌入了多个传感器、电路和无线充电终端 。 这件衣服可以测量心率、温度、湿度和高度信号 , 并通过蓝牙无线将这些数据发送到智能手机 。 一名志愿者穿着这件衣服 , 并在爬山时进行了测试 , 以显示它在户外锻炼时也可以工作 。
“我们相信 , 纤维电池驱动的TBAN将成为未来智能服装的发展方向 , 这项工作将为个性化医疗提供一个有希望的路线图 , ”Xiao说 。
这件原型服装采用刚性传感器 。 Xiao表示 , 未来 , 科学家们的目标是开发灵活的传感器 , 以及能够从身体运动中获取能量发电的织物 , 甚至是纺织屏幕 。 他补充道:“我们的目标是使智能面料在室外使用舒适 , 并且耐用 , 可用于爬山和徒步旅行等户外活动 。 ”
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