ACS AMI┃适用于可穿戴能源纺织品的900%超拉伸纤维基锌离子电池

英文原题：Tendril-Inspired 900% Ultra-Stretching Fiber-Based Zn-Ion Battery for Wearable Energy Textiles

通讯作者：田明伟，青岛大学；曲丽君，青岛大学

作者：Ming Li, Zengqing Li, Xiaorui Ye, Xueji Zhang, Lijun Qu, and Mingwei Tian

近年来，可穿戴能源纺织品的迅速发展极大地推动了生物协同运动和可穿戴单元的柔性储能装置的产生。纤维基柔性电池具有重量轻、柔韧、耐用等特点，在供电过程中可以在弯曲、折叠等复杂变形条件下稳定工作。基于纤维的Li电池、Ni//Bi电池、硅氧电池，由于其灵活的结构设计和与纺织系统集成的独特能力，被认为是集成到可穿戴能源纺织应用的完美候选材料。然而，在实际活动中由于机械变形（如极限拉伸、急剧弯曲或过度扭曲）而导致的性能退化甚至失效，严重阻碍了智能穿戴材料领域的进一步应用。因此，有必要为人工智能系统制造可拉伸纤维电池。锌电池具有较高的理论容量（820 mAh/g）和较低的氧化还原电位（-0.76 V vs 标准氢电极），这使其在智能穿戴应用上具有巨大优势。然而，大多数组装的可拉伸锌离子电池通常沿着纤维轴向拉伸，并且拉伸程度有限（<400%）。此外，组装的锌离子电池在极限拉伸过程中，电化学活性材料层通常会被破坏，导致活性材料脱落，电导率下降，电化学性能下降。因此，开发一种具有稳定电化学性能的超拉伸“结构可设计”纤维基锌离子电池对于智能穿戴应用是非常重要的。

为了解决以上问题，青岛大学智能可穿戴技术研究中心田明伟教授、曲丽君教授团队设计了一种具有螺旋结构的超拉伸纤维基锌离子电池（图1）。受藤蔓的生物结构启发，纤维电池以螺旋结构紧密缠绕在弹性丝表面，并可通过简单的针织工艺集成到织物中，验证了其在可穿戴能源纺织品应用方面的潜力。电池的拉伸程度达到900%时依然可为LED等进行有效供电。可见，具有螺旋结构的超拉伸纤维基锌离子电池对于可拉伸储能设备和可穿戴电子产品的应用是十分有必要的。

图1. 超拉伸纤维基锌离子电池制作原理及拉伸示意图。

通过循环伏安法（CV）、恒流充放电法（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）分析，表征了G/P-Zn@SFB的电化学性能（图2）。该预制电池具有高比容量（32.56 mAh/cm³）和能量密度（36.04 mWh/cm³），并具有优异的循环稳定性（循环1000次后仍保持76.5%的容量），库伦效率达到100%左右。

图2. 纤维基锌离子电池的电化学性能

超拉伸纤维基锌离子电池在极端机械变形下表现出优越的电化学稳定性，拉伸到900%后仍能保持原有容量的71%。当释放到自然状态时，该电池也显示84%的保留率。将eG/P-Zn@SFB串联充电，然后连接红色LED指示灯，当电池拉伸到900%后仍然对LED指示灯进行高效供电，表明eG/P-Zn@SFB具有优秀的抗拉伸性能。

最后，18个串联的eG/P-Zn@SFB系统被编织成织物，制成一款智能可穿戴能源设备来为带有“QDU”标志的LED设备供电。随着肘部的弯曲角度从0°变化到180°，QDU标识的亮度逐渐变暗。但当弯管弯曲角度为180°时，“QDU”仍保持点亮状态，表明eG/P-Zn@SFB可以作为一种强大的超弹性电源，应用于柔性显示器、可穿戴电子设备和智能纺织品。此外，作者将超拉伸电池与弹力带结合在一起用于照明。2节串联电池可以在静态情况下为LED供电。当拉开弹力带时，LED灯依然发光，这证明超拉伸纤维基锌离子电池是高度稳定且高导电的（图3）。

图3. 超拉伸纤维基锌离子电池的电化学性能及应用

综上所述，作者研究了一种具有螺旋结构的超拉伸eG/P-Zn@SFB材料，该材料具有良好的拉伸性能、电化学储能性能和耐磨性。此外，eG/P-Zn@SFB和智能可穿戴能源纺织品具有高度的集成性，可通过简单的织造工艺编织到织物中，并表现出稳定和理想的耐用性。所有的结果表明，eG/P-Zn@SFB对于可拉伸柔性电子产品的应用至关重要，稳定且有益的电化学性能使其成为智能纺织品的潜在候选者。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，青岛大学硕士研究生李明为文章的第一作者，青岛大学田明伟教授、曲丽君教授为共同通讯作者。

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Tendril-Inspired 900% Ultrastretching Fiber-Based Zn-Ion Batteries for Wearable Energy Textiles

Ming Li, Zengqing Li, Xiaorui Ye, Xueji Zhang, Lijun Qu*, and Mingwei Tian*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.1c02329

Publication Date: April 2, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）