彭慧胜：穿在身上的显示屏 | 走近科学

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道。本文围绕2019年国家自然科学奖二等奖“碳纳米管复合纤维锂离子电池”展开，该奖项由复旦大学彭慧胜院士领衔的团队获得。

根据中国考古发现，我们5000多年前就开始使用高分子纤维材料，也就是大家所熟知的蚕丝，这是我们中华民族为人类作出的伟大贡献。把纤维材料做成织物标志着人类文明的进步，如今5000多年过去了，纤维除了能做成织物拥有防寒保暖的基本功能，它还能做成什么？或者说你还希望你的衣服拥有什么功能？

出门不想带充电器？没关系，你的衣服就是一个移动的太阳能电池。

骑着车不方便拿手机怎么办？没关系，你的衣袖就是一个显示屏，能帮你导航。

聋哑人的沟通能力有限怎么办？没关系，一件衣服就能把脑电波采集下来，把想说的话实时显示在衣服上，从而能与普通人无障碍地交流，重新融入社会。

这件神奇的衣服甚至能够治病，帮你飞檐走壁，你相信吗？这样的场景听起来像一部科幻电影，但在科学家的努力下，这些情景已经或正在现实生活中逐渐上映。这件神奇的衣服就是智能织物，虽然外观上与常见的纺织物无异，却兼具发电、发光、变色、储能、传感、显示、计算、通信等功能，在可穿戴设备、物联网、人工智能等领域显示出广阔的应用前景。

纤维织物器件推动战略领域革命性发展

如何让纤维导电

具有柔性、导电、高电化学活性的纤维电极是构建纤维电子器件的关键，纤维电极的合理选择有助于实现智能织物的多功能和高性能。

一般来说，电子器件都有正极和负极，中间是活性材料，当通电的时候，正极和负极之间会形成电场。在我们生活中，电子器件通常是一个平面，两个平板之间的电场是很均匀的，只要把活性材料涂覆均匀就可以了。而在智能织物中，两根纤维电极之间产生的电场是不均匀的，因为它是一个弯曲的界面。此外，在确保电荷沿长纤维电池长度方向的传输效率以及形变下活性材料与高曲率导电纤维实现稳定相互作用等方面都存在挑战。

因此，从平面结构到纤维结构，其电场分布、电荷传输和界面均发生明显变化，需要进行新的材料组成和结构设计。

在选择材料时，我们通常会想到两大类导电纤维：一类是金属材料，另一类是高分子材料。

对于金属材料，在光滑的金属表面涂覆活性层，负载量有限，连续弯折变形过程中容易发生碎裂导致活性材料脱落。可以通过在金属纤维上加工形成多级微结构、涂覆与刻蚀等方法来提高纤维电极比表面积和活性层载量，不过金属的质量比较重。

对于高分子材料，可能有些人会觉得这个名词比较陌生，但它在我们生活中无处不在。我们常用的薄膜塑料袋就是高分子材料聚乙烯。乙烯是小分子，它有双键，你可以把小分子理解成一个小朋友，当小朋友把手打开，手牵着手，小分子就变成了大分子，形成一条链，所以我们把它叫作高分子链，这就是高分子材料。值得注意的是，乙烯是气体，“小朋友手牵手”变成高分子后，它就变成固体了。所以高分子材料不同于小分子，可以有非常多的变化，从化学反应到材料设计再到物理性能等。

高分子材料应用十分广泛，大家经常看到的很多东西都是高分子材料构成的，并且我们的身体都是由高分子构成的，这非常有趣。高分子材料通常包括塑料、橡胶和纤维等，而高分子纤维已广泛应用于织物中。

高分子纤维具有结构设计多样、化学稳定性好、高柔韧性和轻便等特点，但其导电性能通常不好，因此我们可以将其与导电性良好的其他材料，如碳纳米管协同构建复合材料。

碳纳米管于1991年被人类首次发现，是一种具有特殊结构的一维材料，即由呈六边形排列的碳原子（每一个点就是一个碳原子）构成的管状结构，其径向尺寸为纳米级，具有良好的导电性。

碳纳米管是一个非常有趣的材料，它的质量只有钢的1/10，但是它的强度是钢的20倍。

如今我们想把人送到太空去，一般都是使用火箭。其实还有一种途径，有时出现在科幻小说里，就是“人造太空天梯”。后来也有科学家从理论上推测，可以造一部电梯把人类从地球送到太空中去。

但技术上怎么做到？难在哪里？难的是要有足够长的缆绳连接地球和太空，即找到制造天梯的材料。也许大家会想到耳熟能详的钢丝，但是有一个最重要的参数叫自支撑长度。当钢丝长到54公里时，它就会自己断掉，所以这种材料必须能够克服自重，也就是要足够轻和足够强。

根据目前掌握的信息，人们发现碳纳米管可以满足上述要求。

这里我们探讨的碳纳米管，典型直径在几个纳米，长度在几百微米，碳纳米管之间的相互作用虽然非常弱，但是在纳米尺度上，它的累积效应可以有效地把很小的碳纳米管连接成长纤维。在碳纳米管纤维中, 取向、有序的碳纳米管排列结构，可以更有效地将单根碳纳米管优异的物理性能扩展到宏观层面，如具有较高的比表面积、力学强度和柔韧性，可以耐受弯曲和拉伸，还具有较高的电导率，是一种较为理想的纤维电极材料。

效法自然

纤维锂离子电池

智能织物商业化的重要瓶颈是缺少与之充分集成的供能系统。因为传统的电池或电容器多为二维刚性平面，质量重、体积大，不可穿戴。一维的纤维能源器件质量轻、柔性好、可集成、能编织，并且能在织物形变下保持电化性能稳定，能满足如今各种便携式电子设备的发展需要。

过去人们普遍认为，纤维电池的内阻随长度增加而增大，会限制电池的高性能化。但后来科学家发现，在一定范围内，随着纤维电池长度的增加，其内阻逐渐降低并趋于稳定，呈现独特的双曲余切函数关系。这一发现为纤维电池的连续化制备和应用提供了可能性，经过不断地探索和工艺创新，科学家研制出了具有优异且稳定电化学性能的纤维锂离子电池。

如今，这样的电池已经做成了产品，并能规模制备了，取得了从实验室层面到规模生产的突破。

电池的能量密度达到128 Wh/kg，能够满足很多生产生活应用的需要。目前可以连续化制备米级的纤维锂离子电池，同时实现在一定长度范围内电池的容量随着长度增加线性增加，未来这样的纤维将会做得更细、更长、更柔软。

如果把纤维锂离子电池与无线充电装置结合起来，把手机揣在口袋里不用连线，手机就可以自己充电了。一件由纤维锂离子电池制成的衬衣所储存的电量可以把十几部智能手机充满。

此外，因为纤维有很大的比表面积和高孔隙率，所以它散热特别快，其升温几乎可以忽略，可以长期舒适地覆盖在人体皮肤上。即使做成衣物经过数百次洗涤以及在高温、低温、真空环境以及外力破坏

（如一部分纤维被切断）等极端条件下，它依然可以稳定供电。