一项新的研究发现，毫米薄的无线可充电纤维电池可以编织到衣服中，作为可穿戴电子设备网络的枢纽。
根据英国剑桥新兴技术分析公司IDTechEx的数据，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，自2014年以来年收入增长了两倍。因此，研究人员一直在寻求为可穿戴设备开发越来越强大的能源，这些设备也足够灵活，可以舒适地贴合人体。
尽管柔性超级电容器具有高功率密度，但其相对较低的能量密度和较短的放电持续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，但对其安全性的基本担忧限制了它们在可穿戴技术中的广泛采用。
锌离子电池是一种很有前途的可穿戴设备柔性储能技术，理论上具有高容量、低成本和良好的安全性。然而，已证明有助于这些电池内电荷流动的凝胶电解质的制造具有挑战性，并且通常具有较差的机械性能和低离子电导率。
现在科学家们已经开发出能量密度相对较高的可充电锌离子电池，达到每升91瓦时，与锂离子电池的能量密度为每升250至670瓦时相当。他们可以将电池制造为直径仅一毫米的纤维，事实证明这种纤维的弹性与人类皮肤大致相同，能够拉伸230%而不会断裂，成本低，每15厘米0.64美元，重量轻，每15厘米重1.26克。
“智能服装是我们的目标。”该研究的主要作者、加州大学洛杉矶分校的电气工程师肖肖说。
肖说，新的锌-二氧化锰电池使用了一种电解液，该电解液由两种常见材料，聚乙烯醇水凝胶和氧化石墨烯薄片以一种简单且可扩展的方式制成。均匀散布在整个水凝胶中的薄片有助于使电解质具有每厘米21毫西门子的高离子电导率，大致与锂离子电池中使用的电解质相当。水凝胶使电解质变得灵活，甚至能够自我修复——当材料被切割时，让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用于智能服装的纱线状锌离子电池。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，而这项新工作由于使用了氧化石墨烯薄片而可能更具可扩展性。
在实验中，新型纤维电池在500多个小时的放电和充电后表现出稳定的性能，在1000次这样的循环后仍保持98%的容量。当连接到无线充电终端时，科学家们注意到这些电池可以通过智能手机或其他设备进行无线充电或无线充电。
通过将这些纤维封装在硅胶中，研究人员使这些电池在空气中稳定且防水，即使浸入水中也能供电。这些护套还可以保护人体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域网(TBAN)的枢纽，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，他们将光纤电池集成到一件衬衫中，并在其中嵌入了多个传感器、电路和无线充电终端。该服装可以测量心率、温度、湿度和海拔信号，并通过蓝牙将这些数据无线发送到智能手机，志愿者在攀爬时穿着并测试它，以证明它可以在户外锻炼时工作。
“我们相信由纤维电池供电的TBAN将成为未来智能服装的方向，这项工作将为个性化医疗提供一个有前景的路线图。”肖说。
这件原型服装采用了刚性传感器。未来，科学家们的目标是开发灵活的传感器，以及可以从身体运动中获取能量来发电的织物，甚至是纺织品屏幕。我们的目标是让这种智能面料在户外使用起来舒适，并且在登山和远足等户外活动中经久耐用。
肖和他的同事在《科学进展》杂志上详细介绍了他们的发现。
