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。”

Xiao和他的同事在Science Advances杂志上详细介绍了他们的发现。

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