社會(huì)創(chuàng)新每向前推進(jìn)一步，都離不開(kāi)科研工作者的努力。扎根電子纖維領(lǐng)域十年如一日，彭慧勝及其團(tuán)隊(duì)研制出不同種類(lèi)的纖維器件，推動(dòng)中國(guó)新材料發(fā)展。

以下內(nèi)容整理自彭慧勝在復(fù)旦大學(xué)管理學(xué)院“瞰見(jiàn)對(duì)話科創(chuàng)人物”講座上的發(fā)言：

“電子織物”，催生千億級(jí)市場(chǎng)

電子器件是現(xiàn)代信息化社會(huì)發(fā)展的原動(dòng)力，也正在朝著微型化、柔性化、集成化方向發(fā)展。

世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)很笨重，重約30噸，現(xiàn)在大家使用的筆記本電腦最輕可能只有一公斤，而未來(lái)將主導(dǎo)我們生活的穿戴式電子設(shè)備，可能就只有幾十克了。

趨勢(shì)之下，電子器件的結(jié)構(gòu)從三維塊體向二維薄膜演化。換句話說(shuō)，如果在一個(gè)維度上把三維的電子器件做小，就變成了二維的柔性薄膜。

從2008年開(kāi)始，我們團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)提出和實(shí)現(xiàn)一維的纖維器件——在二維的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步把一個(gè)維度做小，轉(zhuǎn)變成一維的纖維器件。

做成一維的纖維電子器件之后，材料就具有了更好的柔軟性。到目前為止，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了纖維電子器件的儲(chǔ)能、發(fā)光、發(fā)電、顯示、傳感、治療、計(jì)算、通訊等系列功能。

這些纖維器件在電子織物、可穿戴設(shè)備、新能源、信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大健康等領(lǐng)域都顯示出巨大的應(yīng)用前景。

下面，我以電子織物和可穿戴設(shè)備為例進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

把纖維織成織物是人類(lèi)文明的一個(gè)重要標(biāo)志。不久前，歐盟提出了一個(gè)非常重要的戰(zhàn)略報(bào)告，認(rèn)為第四次紡織工業(yè)革命是電子織物，也就是說(shuō)，要將具有儲(chǔ)能、發(fā)光、發(fā)電、顯示等等電子器件功能的新型纖維變成電子織物。電子織物未來(lái)五到十年的市場(chǎng)規(guī)模在2萬(wàn)億歐元，這是非常龐大的市場(chǎng)。

另一個(gè)應(yīng)用是在可穿戴設(shè)備方面，Strategy Analytics分析全球市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到千億美元級(jí)別，并將推動(dòng)現(xiàn)代通訊、醫(yī)療器械、微電子等領(lǐng)域發(fā)展。纖維是一種非常好的可穿戴載體，對(duì)人體來(lái)說(shuō)非常舒適。

從未被報(bào)道過(guò)的

纖維聚合物鋰離子電池有多重要？

如何利用纖維技術(shù)得到電子器件？第一個(gè)產(chǎn)物是纖維聚合物鋰離子電池。

如上圖所示，電池包括化學(xué)電池、物理電池和生物電池，化學(xué)電池又包括一次電池、二次電池和燃料電池，我們重點(diǎn)研究的是二次電池當(dāng)中的鋰離子電池。

下面我重點(diǎn)分享一下纖維鋰離子電池和太陽(yáng)能電池：

上世紀(jì)五十年代，人類(lèi)為了制備能量密度更高的電池體系，開(kāi)始研究鋰一次電池。

上世紀(jì)六十年代，能源危機(jī)推動(dòng)了鋰一次離子電池快速發(fā)展，包括紐扣式的鋰錳電池和鋰氟化碳電池的發(fā)展。

1970年，?？松網(wǎng)hittingham提出了二次電池，鋰離子電池的設(shè)想，但是沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)。

1980年的時(shí)候，Goodenough研發(fā)了正極鈷酸鋰材料。

1985年的時(shí)候，旭化成公司Akira Yoshino發(fā)現(xiàn)，石墨可以作為一個(gè)非常好的負(fù)極材料。

在此基礎(chǔ)上，1991年，索尼公司和旭化成公司真正實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的商品化，生產(chǎn)出了真正的產(chǎn)品，之后幾年進(jìn)一步推動(dòng)鋰離子電池作為動(dòng)力電池使用。目前，鋰離子電池已經(jīng)在生產(chǎn)生活的各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用。

Whittingham、Goodenough和Akira Yoshino三位科學(xué)家也因?yàn)樵阡囯x子電池方面，從概念到材料上所做出的開(kāi)創(chuàng)性工作，獲得了2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

其實(shí)，鋰離子電池的組成非常簡(jiǎn)單，包括正極、負(fù)極和電解液，一般基于有機(jī)小分子溶劑作為電解液，所以大家會(huì)經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)鋰離子電池會(huì)燃燒、爆炸。另外，它還有隔膜，封裝，其中封裝包括硬殼的金屬殼、軟包等?？傮w來(lái)講，目前的鋰離子電池是比較剛性的結(jié)構(gòu)。

它的原理非常簡(jiǎn)單，充電的時(shí)候，鋰離子從正極通過(guò)電解液嵌入到負(fù)極，放電的時(shí)候是一個(gè)逆向的過(guò)程，總的反應(yīng)是非常簡(jiǎn)單。

鋰離子電池為什么會(huì)在生產(chǎn)生活得到如此大規(guī)模的應(yīng)用？因?yàn)樗哂蟹浅?yōu)異的性能：沒(méi)有記憶效應(yīng)，可以隨時(shí)充電，隨時(shí)放電，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電小，能量轉(zhuǎn)化效率高，尤其是和其他二次電池對(duì)比，它的能量密度比其他化學(xué)二次電池都要高。

但是還存在一個(gè)很重大的挑戰(zhàn),剛性結(jié)構(gòu)、有機(jī)溶劑會(huì)導(dǎo)致易燃易爆等安全性問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足可穿戴和可植入電子器件等重要新興領(lǐng)域的迫切發(fā)展需要。

如何解決上述問(wèn)題？如果是剛性結(jié)構(gòu)，我們就把它做成纖維，柔軟的纖維能夠解決問(wèn)題。而有機(jī)溶劑是小分子，容易揮發(fā)導(dǎo)致著火燃燒，甚至發(fā)生爆炸。因此，我們采用聚合物凝膠電解質(zhì)就可以有效解決相關(guān)問(wèn)題。

纖維聚合物鋰離子電池是一個(gè)非常重要和有用的電池體系，但從2008年我們工作開(kāi)始，它從來(lái)沒(méi)有被報(bào)道過(guò)。

為什么沒(méi)有被報(bào)道？因?yàn)樗_實(shí)有很多難點(diǎn)，從平面結(jié)構(gòu)到纖維結(jié)構(gòu)，它的電場(chǎng)分布、電荷傳輸和界面均發(fā)生明顯變化。而我們生活中手機(jī)、電腦用到的平板電池都是正極、負(fù)極，中間是電解液。如果要做成纖維鋰離子電池，該如何進(jìn)行？

把正極的板和負(fù)極的板變成兩根纖維的電極，然后纏繞起來(lái)。平板電極形成的電場(chǎng)是均勻的，這樣易于設(shè)計(jì)活性材料，只要是均勻的就可以進(jìn)行匹配。

但是，如果形成兩個(gè)纖維電極的話，形成的電場(chǎng)是不均勻的，很難制備活性材料進(jìn)行匹配，這是第一個(gè)科學(xué)難題。

第二個(gè)科學(xué)難題，對(duì)于平板電池，它的電荷傳輸路徑較短，但是對(duì)于纖維電池來(lái)說(shuō)，它的長(zhǎng)度是幾米、幾千米，甚至更長(zhǎng)，如何確保電荷沿纖維長(zhǎng)度方向進(jìn)行有效傳輸至關(guān)重要。

第三個(gè)科學(xué)難題，在制備和使用過(guò)程中，柔性的電池體系會(huì)自然形變，怎么確保活性材料在變形的時(shí)候不會(huì)從集流體上脫落下來(lái)，得到一個(gè)穩(wěn)定界面。

我們逐一解決上述三個(gè)科學(xué)難題以后，就可以實(shí)現(xiàn)纖維鋰離子電池，達(dá)到技術(shù)突破。

得到纖維形態(tài)的有效工作以后，接下來(lái)是解決安全性問(wèn)題，聚合物凝膠電解質(zhì)是一個(gè)非常有趣的體系。

聚合物凝膠電解質(zhì)

聚合物在反應(yīng)之前是小分子的單體，它也是液體的，但是進(jìn)入電池以后，我們讓它聚合反應(yīng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣就可以形成凝膠。它是準(zhǔn)固態(tài)的，不會(huì)流出來(lái)，不會(huì)著火，也不會(huì)燃燒，這樣就成功解決了安全性問(wèn)題。

在此基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了連續(xù)化的制備方法，包括四個(gè)步驟：

首先，我們讓導(dǎo)電纖維通過(guò)正負(fù)極活性材料得到正負(fù)極；

第二步，在負(fù)極的表面燃燒上隔膜，隔膜的作用是避免正負(fù)極直接接觸導(dǎo)致短路； 第三步，把正負(fù)極纖維進(jìn)行加捻組裝起來(lái)； 第四步進(jìn)行封裝，就得到了纖維聚合物鋰離子電池。

我們根據(jù)連續(xù)化方法，設(shè)計(jì)和定制的生產(chǎn)線，每年產(chǎn)能達(dá)到150噸。

對(duì)于電池而言，能量密度是非常重要的參數(shù)之一，我們目前制備的電池是124Wh/kg，這已經(jīng)足夠滿(mǎn)足很多生產(chǎn)生活應(yīng)用的需要。比如我們按照纖維電池300微米來(lái)算，做成一件襯衣的話，可以產(chǎn)生102866mAH電量，可以把52部智能手機(jī)充滿(mǎn)電。

我們進(jìn)一步將纖維鋰離子電池編成織物，放到水里面然后擠干，這個(gè)過(guò)程中仍然可以有效地給iPad充電。做成織物以后，可能碰到一個(gè)釘子，它被扎破了，怎么辦？它不會(huì)著火，不會(huì)燃燒，也不會(huì)影響正常工作，仍然可以有效地給iPad充電。

大家剛才看到，充電是用兩根導(dǎo)線連起來(lái)的，纖維聚合物鋰離子電池高度微型化以后很容易和無(wú)線充電的裝置進(jìn)行集成，得到一塊織物以后就把手機(jī)放上去，無(wú)需連線就可充電，這意味著未來(lái)我們把手機(jī)揣在口袋里充電，纖維聚合物鋰離子電池可以穩(wěn)定地供電。

具備商業(yè)化開(kāi)發(fā)的潛力

纖維發(fā)電的研究與應(yīng)用

盡管高性能纖維鋰離子電池能夠穩(wěn)定供電，安全性問(wèn)題也已經(jīng)解決，但普通鋰離子電池需要充電，怎么辦？

如果我們把太陽(yáng)能電池也做成纖維，把太陽(yáng)能電池和鋰離子電池編織在一塊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)自供電，我們就不用擔(dān)心以后沒(méi)有電了。

那么，如何得到纖維太陽(yáng)能電池？我們創(chuàng)建了一系列新型纖維狀的聚合物太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，可以用不同的活性材料來(lái)制備。

這里的活性材料主要是光電活性材料，前面鋰離子電池使用的是電化學(xué)活性材料。主要結(jié)構(gòu)是相似的，所以主要改變的是活性材料。比如說(shuō)，我們用光電活性材料來(lái)取代剛才的電化學(xué)活性材料，兩根纖維電極纏繞起來(lái)，就得到了纖維太陽(yáng)能電池。

把纖維聚合物太陽(yáng)能電池打結(jié)以后，反復(fù)彎折，可以看到表征太陽(yáng)能電池最重要的一個(gè)參數(shù)——光電轉(zhuǎn)化效率，它吸收了太陽(yáng)光，可以把光能轉(zhuǎn)化成電能。變形以后和變形以前進(jìn)行對(duì)比，基本上保持在90%，這意味著它有非常好的柔性。進(jìn)一步說(shuō)，光電轉(zhuǎn)化效率到底有多高，到目前為止可以做到12%，也就是說(shuō)，具有了商業(yè)化開(kāi)發(fā)的潛力。

另外，它有一個(gè)非常有趣的性能，如果是一個(gè)纖維的太陽(yáng)能電池，不管光從哪個(gè)角度照，它的發(fā)電是比較穩(wěn)定的，從0度到180度改變光的入射角度，光電轉(zhuǎn)化效率幾乎是保持不變的，這是非常重要的，因?yàn)榘牙w維太陽(yáng)能電池編成一件衣服的話，衣服被穿著，是一定會(huì)變形的，光的入射角度也是一直在改變的，所以要確保在變形的過(guò)程中產(chǎn)生的電是恒量的，這樣才能確保這個(gè)電子產(chǎn)品能夠穩(wěn)定地工作。

12%究竟意味著什么？如果我們進(jìn)一步地把它做成一件衣服，這件衣服80%用纖維太陽(yáng)能電池編織而成，那么這件衣服每天所產(chǎn)生的電量可以給36部手機(jī)充滿(mǎn)電，大家能夠想象到，這足夠滿(mǎn)足日常生活應(yīng)用的需要。

除了科學(xué)家和工程師對(duì)這個(gè)技術(shù)感興趣，實(shí)際上有很多領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)此也很感興趣，比如時(shí)裝界，他們舉辦了一場(chǎng)可穿戴太陽(yáng)能電池時(shí)裝秀，他們認(rèn)為未來(lái)的時(shí)裝一定是電子織物。

所以他們舉辦了一場(chǎng)以硅基片太陽(yáng)能電池來(lái)展示的時(shí)裝秀，但是它并不能真的產(chǎn)生電，完全不是一個(gè)概念，而且硅基板很重，穿著非常不舒服的。纖維的太陽(yáng)能電池才是他們真正想要的，能夠解決實(shí)際問(wèn)題，這方面的研究工作，我們也正在進(jìn)一步開(kāi)展。

把“顯示屏”穿在身上

纖維發(fā)光器件的應(yīng)用與前景

如果上面兩類(lèi)器件的功能是提供電，那么接下來(lái)再和大家分享第三類(lèi)纖維發(fā)光與顯示器件，它們需要使用電。

從早期顯示管到液晶顯示，再到有機(jī)發(fā)光二極管，到柔性薄膜顯示屏，顯示技術(shù)推動(dòng)信息科技革命，對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活起到了至關(guān)重要的作用。

在整個(gè)技術(shù)的演變過(guò)程中，科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出了非常重要的貢獻(xiàn)，我們簡(jiǎn)單地回顧一些有代表性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

1905年諾貝爾物理獎(jiǎng)，觀察到陰極射線轟擊鋁箔時(shí)的發(fā)光現(xiàn)象。后來(lái)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)理論奠定了高性能發(fā)光二極管理論的基礎(chǔ)，獲得2000年諾貝爾物理獎(jiǎng)，當(dāng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予導(dǎo)電高分子，實(shí)現(xiàn)了柔性聚合物發(fā)光和顯示材料。

2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)是藍(lán)色的發(fā)光二極管。從基礎(chǔ)現(xiàn)象到材料到器件，科學(xué)推動(dòng)了整個(gè)顯示技術(shù)的發(fā)展。

我們所做的工作也比較有趣，首先跟大家介紹纖維發(fā)光器件。它的原理跟太陽(yáng)能電池是反過(guò)來(lái)的，太陽(yáng)能電池是吸收光產(chǎn)生電，而纖維發(fā)光器件是通電發(fā)光。

我們把發(fā)光的高分子活性材料涂附到纖維電極表面，外面再涂附一層薄膜作為另一個(gè)電極，因?yàn)槿魏纹骷话惆▋蓚€(gè)電極和中間的活性材料。我們得到的纖維發(fā)光器件，叫纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池。

Zhang, et al. Nature Photon. 2015, 9, 233

2015年，Nature在倫敦總部舉行了新聞發(fā)布會(huì)，認(rèn)為這是整個(gè)發(fā)光領(lǐng)域突破性的重大進(jìn)展。實(shí)際上這個(gè)工作的應(yīng)用不光是在發(fā)光領(lǐng)域，對(duì)其他領(lǐng)域的應(yīng)用是非常重要的。

比如，腦科學(xué)家可以利用我們的這種發(fā)光纖維來(lái)對(duì)神經(jīng)進(jìn)行精準(zhǔn)的多點(diǎn)的光刺激。過(guò)去的點(diǎn)光源、面光源很難做到精準(zhǔn)的點(diǎn)刺激，而纖維光源可以有效地完成這個(gè)使命。

另外，還可以把發(fā)光纖維編成毯子。治療患有黃疸新生兒時(shí)候，要放在箱子里，用藍(lán)光進(jìn)行治療，但是里面藍(lán)光相對(duì)強(qiáng)度比較高，所以?xún)嚎漆t(yī)生和我們合作把發(fā)藍(lán)光的纖維編成織物，變成一個(gè)毯子，溫和發(fā)光，從而更加安全地給嬰兒治療。

當(dāng)然，這樣的毯子也可以治療各種皮膚病，甚至體內(nèi)的疾病也有非常好的治療前景。發(fā)光纖維編成織物，織物還可以顯示圖案，但它并不是真正傳統(tǒng)意義上像素點(diǎn)顯示的技術(shù)。

Shi, et al. Nature 2021, 591, 240

花了很多年的嘗試以后，我們才成功實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)顯示織物。

織物顯示器件具備良好的洗滌性能，我們按照最嚴(yán)苛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在60度的水溫下加上洗滌劑和鋼球，把顯示織物放在洗衣機(jī)里洗，洗之前和洗之后，織物形態(tài)有效發(fā)光的亮度基本都是能保持的。

我們進(jìn)一步定量跟蹤，發(fā)現(xiàn)機(jī)器洗滌100次后，發(fā)光的亮度基本保持不變。也就是說(shuō)，在洗滌過(guò)程中的穩(wěn)定性可以有效保持。機(jī)器洗滌一次相當(dāng)于日常生活洗滌的5次，也就是說(shuō)洗滌500次都沒(méi)有問(wèn)題，非常穩(wěn)定，這意味著在顯示織物使用壽命的范圍內(nèi)，也就是一般電子產(chǎn)品使用的周期范圍內(nèi)，它是可以穩(wěn)定工作的。

我們得到了顯示織物，它需要用電，剛好我們前面介紹的太陽(yáng)能電池和鋰離子電池完全可以實(shí)現(xiàn)自供電，把信息輸入輸出和控制系統(tǒng)全部進(jìn)行纖維化以后，我們就得到了電子織物顯示系統(tǒng)。

電子織物未來(lái)可能將會(huì)有以下一些應(yīng)用：

第一個(gè)例子，你騎著摩托車(chē)，不能手上拿著手機(jī)，不方便也不安全，我們可以把這個(gè)織物集成到你的衣服上，也可以貼在你的衣袖上，它就可以起到導(dǎo)航的作用。

第二個(gè)應(yīng)用，你的衣袖起到了手機(jī)的作用，它可以收發(fā)信息，也可以打電話，所有的操作全部可以在你的衣袖上來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第三個(gè)應(yīng)用更加有趣，一些特殊的人群不能說(shuō)話，但是他有腦電波，可以把腦電波采集下來(lái)，實(shí)時(shí)顯示在他的衣服上。對(duì)于這個(gè)人來(lái)說(shuō)，他想說(shuō)的話很快就顯示出來(lái)，比說(shuō)話還要快，對(duì)方可以馬上看到，這樣就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溝通和交流。

全世界有幾千萬(wàn)這樣的特殊人群，這樣的話能夠真正讓這些人的生活變得更加方便，甚至可以在很多領(lǐng)域大大拓展他們工作的區(qū)間。

第四類(lèi)，纖維傳感器。傳感器非常重要，在我們生活的每一個(gè)角落都需要用到，我們把它做成纖維以后，它會(huì)帶來(lái)非常多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如，把它編成一件織物，人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候穿著這件織物就可以隨時(shí)對(duì)生理指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

從2008年起，我們歷經(jīng)十多年努力研制出變色纖維器件，截止到目前我們大概做了20多種具有不同功能的纖維器件，其中一些也已經(jīng)可以規(guī)?；闹苽浜蜕a(chǎn)。

此外，我們讓纖維電子器件集成變得容易，可以把纖維軸向方向進(jìn)行集成，可以進(jìn)行多股纏繞，也可以編成織物進(jìn)行集成。

如果每一根纖維具有不同功能的話，可以實(shí)現(xiàn)功能的定制，從各種能源系統(tǒng)到信息技術(shù)到物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大健康，以及未來(lái)太空的探測(cè)，都可以發(fā)揮非常重要的作用。我夢(mèng)想和堅(jiān)信智能纖維電子器件將改變?nèi)祟?lèi)的生活方式。

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