今天,彭慧胜/陈培宁课题组今年第三次在Nature发表论文,“复旦的新衣”成为新的充电利器,边运动边充电的T恤在未来也许会成为新的时尚风潮。
陈培宁是上海市“3535”计划(35位35岁的青年科技人才)的领军人物。
彭慧胜也曾登上造就舞台,2017年他在演讲中,介绍了“碳纳米管纤维”这种高能材料,并预见了由高能纤维制成的衣服在3~5年内有望实现量产,如今这个预言也终成现实。
以下我们来回顾他的演讲全文:
彭慧胜
复旦大学高分子科学系教授
先进材料实验室Principle Investigator
我想跟大家分享一个科学故事,这个故事的主题是:一类神奇的纤维材料与器件。
谈到纤维,大家可能比较熟悉,衣服的基本单元就是纤维,纤维衣服最基本的作用就是防寒保暖。但是,大家能否想象,在不久的将来,一件衣服可以发电、可以治病,可以让你飞檐走壁。
故事首先从能源讲起。
在日常生活中我们常见的能源器件分两类:一类用于发电,叫能源转换器,比如太阳能电池;另一类用于储存能量,比如锂离子电池或超级电容器。对于这两类能源器件,我们通常见到的是板状或块状结构,是刚性而且比较笨重的。
这个结构限制了它们在很多领域的应用,尤其是一些重要新兴领域的发展,例如可穿戴设备领域。作为一个正蓬勃发展的重要领域,可穿戴设备往往需要设计得非常轻巧、方便携带、舒服又安全。
但过去那些板状或块状的能源器件满足不了那样的要求,它无法紧贴不规则的肌体,也不透气保湿。所以我们设想,如果能把太阳能电池、锂离子电池做成纤维,纤维就可以变成织物,最后做成衣服。
能发电、储电的衣服
大家可以设想,未来我们穿着的衣服就能发电,它可以解决很多领域的用电需求,从而改变我们的生活。要做成这种发电的衣服,首先我们要得到这种能发电的纤维。
这种能发电的纤维,首先它是一个器件,而任何器件的核心部件都是电极,所以我们又要先得到纤维的电极材料。因此我们发明了一种名为“取向”的独特材料,它是由碳纳米管通过拉丝的方式获得。
碳纳米管是一个什么样的材料?这是一个由碳原子形成的管状结构,其直径只有头发丝的千分之一到万分之一,它的密度是钢的六分之一,但强度却是钢的100倍。
它的电导率与金属相当,所以可以制作成纤维碳纳米管电池,然后制成衣服,这样的衣服一个白天(10小时)可发电6.1万毫安时,相当于反复为你的苹果手机充电4次。
这个衣服的基本单元是纤维太阳能电池,它到底是怎么做的?我们来看一看。图片左上角是一个典型的结构,蓝颜色是一个作为电极的碳纳米管纤维,我们在它的表面镀上红色的光电活性材料,用于吸收太阳光产生电。
而碳纳米管纤维的正面涂了另外一层电极膜,两个电极可把红色光电活性材料产生的电传去外电路。
在反复弯折时,这种碳纳米管纤维仍可稳定供电,现在光电转化率最高可达到9.45%,意味着它可以在商业上进行推广应用。
这个纤维状太阳能电池还有一个独特的优点,即不管阳光从哪个角度照过来,它的光电转化率都非常稳定。这意味着,当你穿一件由这种纤维构成的衣服去运动,在运动过程中,衣服输出的电都非常稳定,从而高效、安全地为电子产品供电。
在白天,太阳能电池可以供电,那晚上怎么办?我们希望,这件衣服还可以将白天的电通过太阳能电池储存起来,供晚上需要的时候使用。这也就是说,我们还希望把锂离子电池、超级电容器等等这些储能的器件也做成衣服。
除了锂离子电池、超级电容器,还有其他很多的储能器件,如锂硫电池、锂空电池、新空电池等等都在发展过程当中,正慢慢走入我们的生活。对于这类广泛的各式储能器件,我们都可以把它做成纤维,按照不同的要求进行组装,做成衣服。
发电、储电,是这类神奇纤维的第一大主要功能。
可变色、发光的衣服