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支春义:柔性可穿戴储能织物的研究进展

柔性可穿戴电子器件近年来吸引了学术界和工业界的大量关注,相关产品不断涌现市场。人们相信这些器件的发展将带来无数的便利和可能性,从而极大地改变人们的生活方式。相应的,科技的发展对为这些器件提供动力的储能设备也提出了更高的要求,比如更加优异的电化学性能和更好的柔韧性。至今为止,研究人员们已经成功研制了一些基于金属薄片、金属线、纸、聚合物薄膜/纤维等柔性基底的柔性储能体系。在这一系列的基底材料中,纺织品通常具有足够大的表面积,能更有效地利用活性储能材料。同时纺织品也有更好的与终端产品整合的潜力,从而成为一个比较理想的选择,受到了学者广泛的关注。近日,香港城市大学支春义教授课题组受邀为国际顶级期刊Small Methods发表了题为”Advances in Flexible and Wearable Energy‐StorageTextiles”的综述文章。该综述详细阐述了柔性储能织物的设计原则和要点,分析和概括了近年来储能织物的研究进展,并总结了柔性储能织物发展道路上面临的挑战及可能的解决方案,对其未来的发展方向进行了展望

支春义:柔性可穿戴储能织物的研究进展

图1. 纤维状锂离子电池织物。(a)纤维状的锂离子电池结构示意图,(b)将纤维状的锂离子电池织物整合进现有的纺织品中。(Zhang et al., J. Mater. Chem. A 2016, 4, 9002.)

 

在文章中,作者首先介绍了储能体系的工作原理、设备构型、常用的织物电极制备方法。作者根据之前的相关研究,将柔性储能织物分为基于纤维状电极的纤维状储能织物以及基于平面纺织品电极的平面储能织物。前者经过编织可得到后者,后者可进一步直接制成可穿戴的储能织物,或经过缝纫等方式整合到现有的纺织品衣物当中。而对于储能织物电极的制备,一般有三种方法:1)将活性储能材料涂覆到纤维状/平面织物基底上;2)在纤维状/平面织物基底上原位生长活性储能材料;3)制备本身就具有可观的电化学性能的纤维/平面织物。其中,第三种方法可消除活性物质与基底之间的界面,避免界面接触问题带来的导电性下降和活性物质损失

接着,作者分析概括了超级电容器织物、锂离子电池织物以及其他一些有潜力的电池体系织物的研究进展,从柔性可穿戴角度介绍了相应的电极制备方法、储能织物性能及其柔性评价。作者进一步归纳总结了柔性可穿戴储能织物的发展将面临的挑战:1) 更高的能量密度和功率密度要求。2)长期稳定性,包括电化学稳定性和机械强度稳定性。3)可穿戴性,即既要柔,也要透气,还要有延展性。4)安全性。5)水洗能力。比如作者研发的纤维状锌离子电池储能织物能在温和条件下水洗30分钟。6)规模化生产。

支春义:柔性可穿戴储能织物的研究进展

图2. 平面锌离子电池织物。(a)将平面锌离子电池织物缝在衣服上,驱动心跳传感器,(b)将平面锌离子电池织物作为可穿戴的表带驱动安卓智能手表,(c)将平面锌离子电池织物置于鞋底驱动蓝牙计步器和压力传感器。(Li et al., Energy Environ. Sci. 2018, 11, 941.)

 

最后,作者展望了柔性可穿戴储能织物的发展方向。可以预见,大量的研究将不断投入到材料优化、制备策略、封装技术以及成本控制等方面。同时,未来的柔性可穿戴电子织物将具备各种各样的功能,储能织物与能量转换装置、传感器等柔性器件需要深度地整合,这也将会成为一个新的研究热点。

 

Zhuoxin Liu, Funian Mo, Hongfei Li, MinshenZhu, Zifeng Wang, Guojin Liang, Chunyi Zhi, Advances in Flexible and Wearable Energy-Storage Textiles, Small Methods, 2018, DOI:10.1002/smtd.201800124

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