近年来，随着谷歌眼镜、苹果手表、智能手环为代表的一系列电子设备进入市场，可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注。可穿戴式电子产品可以提供许多先进的功能，对电池的要求很高，不仅体积小、重量轻，还必须具备满足设备运行诸多功能所需的强大能量。因此，可穿戴式电子产品最大的技术瓶颈即是电池。
为了解决这类产品的电力供应问题，早在2012年，复旦大学彭慧胜教授团队就制备出基于碳纳米管的纤维状全锂离子电池，很快吸引了国际学术界和工业界的高度关注。该团队研究至今，可穿戴电化学储能器件的柔性、轻质和可集成性越来越好，其研究项目《碳纳米管复合纤维锂离子电池》获得国家自然科学奖二等奖。
研究成果——碳纳米管复合纤维锂离子电池，究竟有哪些好处，将给人们生活带来哪些改变，今后还有哪些期许，我们科普团队将为您解答。
碳纳米管的纤维状锂离子电池有哪些好处？
纤维状锂离子电池在结构上更容易弯曲扭曲，甚至拉伸，满足可穿戴设备的柔性需要；在应用上可以被编织成织物，并且在编织时所形成的孔隙还可以让空气和水蒸气自由传输，满足可穿戴设备的透气性要求；在性能上无论是单根的纤维状锂离子电池，还是被编织而成的电池织物，都对柔性弯曲基底具有较好贴合性。
在纤维状全锂离子电池基础上，彭慧胜教授团队基于柔性的复合碳纳米管纤维作电极，发展出一种可穿戴碳纳米管纤维状锂离子电池。新的研究设计和编制的碳纳米管复合纱线，可牢牢缠绕进棉纤维之中，创建出高性能的锂离子电池。该纤维直径为１ｍｍ左右，可以编织成柔性的织物或布料，且与灵活的可佩戴电子设备兼容。
因此，该电池除了具有优异的电化学性能，还具有柔性、可拉伸性、线性、可编织性的优点，并且电化学性能在较大的弯曲和拉伸等变形中依然能稳定地保持，为发展可穿戴设备提供了新的途径。
为什么一定要纤维状？
为了实现这些电子设备的可穿戴性，对于电子设备不可或缺的能源器件，也迫切需要其具有柔性高、质量轻、可穿戴等特性。而目前的瓶颈在于，传统块状和板状能源器件难以根据应用要求紧贴不规则基底、柔性相对较低、不能透气导湿，难以有效满足可穿戴设备轻型化、微型化、集成化的发展需要。解决上述问题的一个有效策略是构建柔性、轻质、可穿戴的高性能纤维状能源器件。纤维状结构能够实现三维方向上的柔性，能够适应多种多样的产品外观设计，而且可以像传统化学纤维样，通过低成本的纺织技术，制成可穿戴性能良好的织物，同时能源织物可紧密贴合不规则基底如人体、能透气导湿，从而有效满足可穿戴设备和各种便携式电子设备的发展需要。
参与这项研究的一位研究人员说：”这种电源能够被直接无缝集成到可穿戴式的电子产品是非常必要的。由于它需要被灵活地织成衣物，纤维状的电源是最理想的。
相关科技成果
碳纳米管的纤维状锂离子电池的研制工作并不轻松，面临许多问题需要解决，如器件性能需进一步提高，发展新型纤维电极材料，提高能量转换及存储效率，提升及优化制备工艺等。以下简单介绍相关的科技成果。
（1）电极材料。电极材料是影响纤维状能源器件性能和规模化构建的关键因素，如何开发出成本较低、柔性良好、强度高和电导率高的纤维电极，目前仍然是一个挑战。近年来，人们开始高度关注基于碳纳米管和石墨烯的新型纤维材料，它们同时显示了较低的密度、良好的柔性、较高的强度和电导率，是一类理想的电极材料。
复旦大学研发团队主要以碳纳米管纤维制作锂离子电池。目前，用作能源器件的取向碳纳米管纤维，因具有特殊的结构和独特的物理化学特性而被广泛研究，优良的嵌锂性能使其可能成为一种优良的锂离子电池材料。单独的碳纳米管作为锂离子电池负极材料，有优点也存在着缺点，将碳纳米管与其他材料复合，利用复合材料中各组分间的协同效应，达到优劣互补，可以大大提高锂离子电池材料的性能。
（2）复合纤维电极制备。通过在取向多壁碳纳米管纤维中添加高性能的锂离子电池电极活性材料纳米颗粒，获得复合纤维直接作为柔性纤维状电极制备线状锂离子电池。其中取向碳纳米管既提供了柔性线状结构的骨架,又提供了电荷的快速传导通道及高的比表面积。此结构的设计避免了金属丝锂线的使用,正、负极活性材料采用被禁锢在取向碳纳米管三维网络中的锰酸锂、钛酸锂颗粒，保证了整个电池在充放电过程和拉伸过程中的稳定性。
（3）纤维状锂电池。在制备纤维状复合电极后，将正极纤维与负极纤维配对，即可构出纤维状锂离子全电池。在设计纤维状锂离子电池结构时，需要考虑4个重要影响因素。第一，避免正负两极直接接触，造成短路； 第二，尽可能减小器件的体积；第三，考虑纤维状锂离子电池柔性，即在被连续弯折、扭曲以及打结成各种形状后，其电化学性能仍能够保持稳定；第四，适应可穿戴器件使用过程中的拉伸变形，考虑纤维状锂离子电池也能具有可拉伸的性能。
今后还考虑做哪些改进？
（1）进一步提高纤维电极的性能。目前，纤维状能源器件的长度通常在厘米级别，进一步增加长度后性能会急剧下降，如何获得高电导率的碳纳米基纤维材料，并实现与活性高分子、有机小分子和无机组分的有效复合，是推动纤维状能源器件从实验室走到实际应用面临的核心问题。
（2）高曲率界面适应。器件在弯曲或扭曲过程中对电极界面提出了较高要求，需要通优化器件结构、增强电极材料间相互作用以及增加封装层来提高和稳定界面接触。
（3）纤维状锂离子电池稳定性和安全性还需进一步提高。
（4）研究纤维状能源器件有效的封装新方法。
（5）进一步优化制备工艺。
纤维状锂离子电池只是其中的一种，还有哪些能源器件？
纤维状锂离子电池只是纤维状能源器件的一种，还包括纤维状太阳能电池、纤维状超级电容器、纤维状集成能源器件等。
目前，纤维状能源器件包括能量转换和储存两大类，能量转换器件主要有染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和钙钛矿电池太阳能电池，而能量储存器件则主要有超级电容器、 锂离子电池、锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等。在实际应用中，光电转换和能量储2个功能往往被集成在同一根纤维状能源器件中。
会给人们生活带来哪些改变？
纤维状能源器件已经取得了一系列突破性进展，将其与织物结合实现真正意义上的可穿戴，但这些织物器件目前还不是特别精细，还没有真正的产品和应用。
未来，纤维状能源器件将朝着高度智能化和集成化方向发展，可有效满足人们的各种需求。除了可穿戴设备，纤维状能源器件还可以广泛应用在电子通信、医疗器械、生物医药、抗菌织物和军事国防等重要领域，有望产生新的科技革命，相信不久的将来，会在多个方面改变人们的生产生活。
