本期財連線嘉賓：

彭慧勝 復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系主任、教授，國家重點研發(fā)計劃首席科學(xué)家

編輯 | 李夢琪

策劃 | 郭楠

人類對未來生活的想像可以有多大膽？或者說，基礎(chǔ)科學(xué)的突破還會為人類社會帶來怎樣的驚喜？

一件衣服也可以發(fā)電、治病，這種曾經(jīng)僅出現(xiàn)在科幻電影里的場景在科學(xué)家的努力下正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。

曾經(jīng)衣服的基本單元是纖維，最基本的功能就是保暖。隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，社會整體向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，就連“纖維”也向“電子”進化。

彭慧勝教授及他的團隊從智能高分子纖維與織物研發(fā)領(lǐng)域出發(fā)，在織物顯示的路上不斷求索，為電子設(shè)備的輸出與顯示創(chuàng)新做出貢獻，他們團隊研究出二十多種纖維器件，其中構(gòu)建的纖維鋰離子電池具有優(yōu)異且穩(wěn)定的電化學(xué)性能，能源密度較過去提升了近2個數(shù)量級。

彭慧勝及其團隊研究的纖維器件應(yīng)用于實際生活中，能夠推動醫(yī)療、人工智能等領(lǐng)域發(fā)展。

正如彭慧勝所說，“如果每一根纖維具有不同功能，可以實現(xiàn)功能的定制，那么從能源系統(tǒng)到信息技術(shù)到物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大健康，以及未來太空探測，它都將發(fā)揮重要作用。”

社會創(chuàng)新每向前推進一步，都離不開科研工作者的努力。扎根電子纖維領(lǐng)域十年如一日，彭慧勝及其團隊研制出不同種類的纖維器件，推動中國新材料發(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“瞰見對話科創(chuàng)人物”講座上的發(fā)言：

“電子織物”，催生千億級市場

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

世界上第一臺計算機很笨重，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，如果在一個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年開始，我們團隊重點提出和實現(xiàn)一維的纖維器件——在二維的基礎(chǔ)上，進一步把一個維度做小，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)實現(xiàn)了纖維電子器件的儲能、發(fā)光、發(fā)電、顯示、傳感、治療、計算、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)備為例進行簡單介紹。

把纖維織成織物是人類文明的一個重要標(biāo)志。不久前，歐盟提出了一個非常重要的戰(zhàn)略報告，認為第四次紡織工業(yè)革命是電子織物，也就是說，要將具有儲能、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。電子織物未來五到十年的市場規(guī)模在2萬億歐元，這是非常龐大的市場。

另一個應(yīng)用是在可穿戴設(shè)備方面，Strategy Analytics分析全球市場規(guī)模將會達到千億美元級別，并將推動現(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，對人體來說非常舒適。

從未被報道過的

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，我們重點研究的是二次電池當(dāng)中的鋰離子電池。

下面我重點分享一下纖維鋰離子電池和太陽能電池：

上世紀五十年代，人類為了制備能量密度更高的電池體系，開始研究鋰一次電池。

上世紀六十年代，能源危機推動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，埃克森公司W(wǎng)hittingham提出了二次電池，鋰離子電池的設(shè)想，但是沒有真正實現(xiàn)。

1980年的時候，Goodenough研發(fā)了正極鈷酸鋰材料。

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

在此基礎(chǔ)上，1991年，索尼公司和旭化成公司真正實現(xiàn)了鋰離子電池的商品化，生產(chǎn)出了真正的產(chǎn)品，之后幾年進一步推動鋰離子電池作為動力電池使用。目前，鋰離子電池已經(jīng)在生產(chǎn)生活的各個方面得到廣泛應(yīng)用。

Whittingham、Goodenough和Akira Yoshino三位科學(xué)家也因為在鋰離子電池方面，從概念到材料上所做出的開創(chuàng)性工作，獲得了2019年的諾貝爾化學(xué)獎。

其實，鋰離子電池的組成非常簡單，包括正極、負極和電解液，一般基于有機小分子溶劑作為電解液，所以大家會經(jīng)常聽說鋰離子電池會燃燒、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。總體來講，目前的鋰離子電池是比較剛性的結(jié)構(gòu)。

它的原理非常簡單，充電的時候，鋰離子從正極通過電解液嵌入到負極，放電的時候是一個逆向的過程，總的反應(yīng)是非常簡單。

鋰離子電池為什么會在生產(chǎn)生活得到如此大規(guī)模的應(yīng)用？因為它具有非常優(yōu)異的性能：沒有記憶效應(yīng)，可以隨時充電，隨時放電，循環(huán)壽命長，自放電小，能量轉(zhuǎn)化效率高，尤其是和其他二次電池對比，它的能量密度比其他化學(xué)二次電池都要高。

但是還存在一個很重大的挑戰(zhàn),剛性結(jié)構(gòu)、有機溶劑會導(dǎo)致易燃易爆等安全性問題，無法滿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題。而有機溶劑是小分子，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)問題。

纖維聚合物鋰離子電池是一個非常重要和有用的電池體系，但從2008年我們工作開始，它從來沒有被報道過。

為什么沒有被報道？因為它確實有很多難點，從平面結(jié)構(gòu)到纖維結(jié)構(gòu)，它的電場分布、電荷傳輸和界面均發(fā)生明顯變化。而我們生活中手機、電腦用到的平板電池都是正極、負極，中間是電解液。如果要做成纖維鋰離子電池，該如何進行？

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

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

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

第三個科學(xué)難題，在制備和使用過程中，柔性的電池體系會自然形變，怎么確?；钚圆牧显谧冃蔚臅r候不會從集流體上脫落下來，得到一個穩(wěn)定界面。

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

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

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，但是進入電池以后，我們讓它聚合反應(yīng)形成一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣就可以形成凝膠。它是準(zhǔn)固態(tài)的，不會流出來，不會著火，也不會燃燒，這樣就成功解決了安全性問題。

在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了連續(xù)化的制備方法，包括四個步驟：

首先，我們讓導(dǎo)電纖維通過正負極活性材料得到正負極；

第二步，在負極的表面燃燒上隔膜，隔膜的作用是避免正負極直接接觸導(dǎo)致短路； 第三步，把正負極纖維進行加捻組裝起來； 第四步進行封裝，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)計和定制的生產(chǎn)線，每年產(chǎn)能達到150噸。

對于電池而言，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部智能手機充滿電。

我們進一步將纖維鋰離子電池編成織物，放到水里面然后擠干，這個過程中仍然可以有效地給iPad充電。做成織物以后，可能碰到一個釘子，它被扎破了，怎么辦？它不會著火，不會燃燒，也不會影響正常工作，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)線連起來的，纖維聚合物鋰離子電池高度微型化以后很容易和無線充電的裝置進行集成，得到一塊織物以后就把手機放上去，無需連線就可充電，這意味著未來我們把手機揣在口袋里充電，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？

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

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

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，我們用光電活性材料來取代剛才的電化學(xué)活性材料，兩根纖維電極纏繞起來，就得到了纖維太陽能電池。

把纖維聚合物太陽能電池打結(jié)以后，反復(fù)彎折，可以看到表征太陽能電池最重要的一個參數(shù)——光電轉(zhuǎn)化效率，它吸收了太陽光，可以把光能轉(zhuǎn)化成電能。變形以后和變形以前進行對比，基本上保持在90%，這意味著它有非常好的柔性。進一步說，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，具有了商業(yè)化開發(fā)的潛力。

另外，它有一個非常有趣的性能，如果是一個纖維的太陽能電池，不管光從哪個角度照，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，因為把纖維太陽能電池編成一件衣服的話，衣服被穿著，是一定會變形的，光的入射角度也是一直在改變的，所以要確保在變形的過程中產(chǎn)生的電是恒量的，這樣才能確保這個電子產(chǎn)品能夠穩(wěn)定地工作。

12%究竟意味著什么？如果我們進一步地把它做成一件衣服，這件衣服80%用纖維太陽能電池編織而成，那么這件衣服每天所產(chǎn)生的電量可以給36部手機充滿電，大家能夠想象到，這足夠滿足日常生活應(yīng)用的需要。

除了科學(xué)家和工程師對這個技術(shù)感興趣，實際上有很多領(lǐng)域的專家對此也很感興趣，比如時裝界，他們舉辦了一場可穿戴太陽能電池時裝秀，他們認為未來的時裝一定是電子織物。

所以他們舉辦了一場以硅基片太陽能電池來展示的時裝秀，但是它并不能真的產(chǎn)生電，完全不是一個概念，而且硅基板很重，穿著非常不舒服的。纖維的太陽能電池才是他們真正想要的，能夠解決實際問題，這方面的研究工作，我們也正在進一步開展。

把“顯示屏”穿在身上

纖維發(fā)光器件的應(yīng)用與前景

如果上面兩類器件的功能是提供電，那么接下來再和大家分享第三類纖維發(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，再到有機發(fā)光二極管，到柔性薄膜顯示屏，顯示技術(shù)推動信息科技革命，對人類生產(chǎn)生活起到了至關(guān)重要的作用。

在整個技術(shù)的演變過程中，科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出了非常重要的貢獻，我們簡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，觀察到陰極射線轟擊鋁箔時的發(fā)光現(xiàn)象。后來半導(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，當(dāng)年諾貝爾化學(xué)獎授予導(dǎo)電高分子，實現(xiàn)了柔性聚合物發(fā)光和顯示材料。

2014年諾貝爾物理獎是藍色的發(fā)光二極管。從基礎(chǔ)現(xiàn)象到材料到器件，科學(xué)推動了整個顯示技術(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。它的原理跟太陽能電池是反過來的，太陽能電池是吸收光產(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電極，因為任何器件一般包括兩個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，認為這是整個發(fā)光領(lǐng)域突破性的重大進展。實際上這個工作的應(yīng)用不光是在發(fā)光領(lǐng)域，對其他領(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)光纖維來對神經(jīng)進行精準(zhǔn)的多點的光刺激。過去的點光源、面光源很難做到精準(zhǔn)的點刺激，而纖維光源可以有效地完成這個使命。

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候，要放在箱子里，用藍光進行治療，但是里面藍光相對強度比較高，所以兒科醫(yī)生和我們合作把發(fā)藍光的纖維編成織物，變成一個毯子，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，我們才成功實現(xiàn)像素點顯示織物。

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。

我們進一步定量跟蹤，發(fā)現(xiàn)機器洗滌100次后，發(fā)光的亮度基本保持不變。也就是說，在洗滌過程中的穩(wěn)定性可以有效保持。機器洗滌一次相當(dāng)于日常生活洗滌的5次，也就是說洗滌500次都沒有問題，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能電池和鋰離子電池完全可以實現(xiàn)自供電，把信息輸入輸出和控制系統(tǒng)全部進行纖維化以后，我們就得到了電子織物顯示系統(tǒng)。

電子織物未來可能將會有以下一些應(yīng)用：

第一個例子，你騎著摩托車，不能手上拿著手機，不方便也不安全，我們可以把這個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。

第二個應(yīng)用，你的衣袖起到了手機的作用，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實現(xiàn)。

第三個應(yīng)用更加有趣，一些特殊的人群不能說話，但是他有腦電波，可以把腦電波采集下來，實時顯示在他的衣服上。對于這個人來說，他想說的話很快就顯示出來，比說話還要快，對方可以馬上看到，這樣就實現(xiàn)了實時溝通和交流。

全世界有幾千萬這樣的特殊人群，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，纖維傳感器。傳感器非常重要，在我們生活的每一個角落都需要用到，我們把它做成纖維以后，它會帶來非常多獨特的優(yōu)勢。比如，把它編成一件織物，人在運動的時候穿著這件織物就可以隨時對生理指標(biāo)進行檢測。

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行集成，可以進行多股纏繞，也可以編成織物進行集成。

如果每一根纖維具有不同功能的話，可以實現(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，以及未來太空的探測，都可以發(fā)揮非常重要的作用。我夢想和堅信智能纖維電子器件將改變?nèi)祟惖纳罘绞健?/p>

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