一項新的研究發現，毫米薄的無線可充電纖維電池可以編織到衣服中，作為可穿戴電子設備網絡的樞紐。

根據英國劍橋新興技術分析公司IDTechEx的數據，可穿戴電子產品正變得越來越受歡迎，2020年的總市場價值接近800億美元，自2014年以來年收入增長了兩倍。因此，研究人員一直在尋求為可穿戴設備開發越來越強大的能源，這些設備也足夠靈活，可以舒適地貼合人體。

盡管柔性超級電容器具有高功率密度，但其相對較低的能量密度和較短的放電持續時間限制了其實際應用。柔性鋰離子電池具有更高的能量密度，但對其安全性的基本擔憂限制了它們在可穿戴技術中的廣泛采用。

鋅離子電池是一種很有前途的可穿戴設備柔性儲能技術，理論上具有高容量、低成本和良好的安全性。然而，已證明有助于這些電池內電荷流動的凝膠電解質的制造具有挑戰性，并且通常具有較差的機械性能和低離子電導率。

現在科學家們已經開發出能量密度相對較高的可充電鋅離子電池，達到每升91瓦時，與鋰離子電池的能量密度為每升250至670瓦時相當。他們可以將電池制造為直徑僅一毫米的纖維，事實證明這種纖維的彈性與人類皮膚大致相同，能夠拉伸230%而不會斷裂，成本低，每15厘米0.64美元，重量輕，每15厘米重1.26克。

“智能服裝是我們的目標。”該研究的主要作者、加州大學洛杉磯分校的電氣工程師肖肖說。

肖說，新的鋅-二氧化錳電池使用了一種電解液，該電解液由兩種常見材料，聚乙烯醇水凝膠和氧化石墨烯薄片以一種簡單且可擴展的方式制成。均勻散布在整個水凝膠中的薄片有助于使電解質具有每厘米21毫西門子的高離子電導率，大致與鋰離子電池中使用的電解質相當。水凝膠使電解質變得靈活，甚至能夠自我修復——當材料被切割時，讓切割的碎片接觸足以將它們粘合在一起。

之前的研究開發了一種用于智能服裝的紗線狀鋅離子電池。然而，這項先前的工作顯示出較低的能量密度，并且還依賴于相對昂貴的碳納米管，而這項新工作由于使用了氧化石墨烯薄片而可能更具可擴展性。

在實驗中，新型纖維電池在500多個小時的放電和充電后表現出穩定的性能，在1000次這樣的循環后仍保持98%的容量。當連接到無線充電終端時，科學家們注意到這些電池可以通過智能手機或其他設備進行無線充電或無線充電。

通過將這些纖維封裝在硅膠中，研究人員使這些電池在空氣中穩定且防水，即使浸入水中也能供電。這些護套還可以保護人體皮膚免受電池的傷害。

研究人員建議，這種可穿戴電源可以作為紡織體域網(TBAN)的樞紐，類似于連接家庭和辦公室計算機和外圍設備的局域網。受這個想法的啟發，他們將光纖電池集成到一件襯衫中，并在其中嵌入了多個傳感器、電路和無線充電終端。該服裝可以測量心率、溫度、濕度和海拔信號，并通過藍牙將這些數據無線發送到智能手機，志愿者在攀爬時穿著并測試它，以證明它可以在戶外鍛煉時工作。

“我們相信由纖維電池供電的TBAN將成為未來智能服裝的方向，這項工作將為個性化醫療提供一個有前景的路線圖。”肖說。

這件原型服裝采用了剛性傳感器。未來，科學家們的目標是開發靈活的傳感器，以及可以從身體運動中獲取能量來發電的織物，甚至是紡織品屏幕。我們的目標是讓這種智能面料在戶外使用起來舒適，并且在登山和遠足等戶外活動中經久耐用。

肖和他的同事在《科學進展》雜志上詳細介紹了他們的發現。