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近日，碳納米管研發(fā)人員在柔性可穿戴器件研究方向取得了新進展。他們采用柔性的碳納米管纖維作為導(dǎo)電電極，將整個電池采用透明聚合物封裝，使得電池穩(wěn)定性有了大幅提升。該研究成果發(fā)表在《先進材料》上，并被國際著名科學(xué)新聞雜志New Scientist報道。

　未來將成為穿戴器件重要發(fā)展方向

“從纖維角度看，碳納米管纖維是一種嶄新的纖維材料，具有傳統(tǒng)纖維不可比擬的力學(xué)性能，也具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，而且碳納米管纖維是一種組裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有上百萬甚至上億個納米結(jié)構(gòu)單元，這種豐富的界面特性在能量轉(zhuǎn)換和輸運方面具備了獨特的優(yōu)勢。”研發(fā)人員在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示。

據(jù)了解，柔性纖維狀的電學(xué)器件，如纖維狀鋰離子電池、纖維狀太陽能電池、纖維狀記憶存儲器及纖維狀超級電容器，可以編織成各類織物，與人們?nèi)粘４┐鹘Y(jié)合起來，用于制備智能織物。碳納米管纖維，以其柔性、質(zhì)輕、高導(dǎo)電及多級界面等特點非常適合作為柔性的導(dǎo)電電極。

基于納米材料發(fā)展柔性可穿戴器件是國際上新興的課題，而纖維類材料與生俱來的柔性和易于同織物編織的特性，使得發(fā)展纖維類器件成為可穿戴設(shè)備領(lǐng)域非常重要的一個方面。

“在柔性可穿戴纖維器件開發(fā)領(lǐng)域，需要重點考慮的是纖維主體材料的選擇和纖維器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。我們選用的是一種新型的纖維材料，它是由大量碳納米管組成的具有良好導(dǎo)電性能且柔韌的宏觀纖維。”李清文告訴記者。

因此采用這種集眾多優(yōu)異特性于一身的碳納米管纖維作為線型器件的主體材料對于開發(fā)可穿戴器件提供了良好的平臺。同時在器件的設(shè)計方面，碳納米管纖維中存在的大量界面，為纖維的改性及功能化提供了可能，使得一些具有功能特性的活性物質(zhì)更易于與碳納米管纖維復(fù)合，進而得到性能優(yōu)異的柔性纖維器件。

隨著近年來可穿戴設(shè)備的興起，目前國內(nèi)外對于纖維類器件的研究也呈現(xiàn)出不斷增長的態(tài)勢，特別是納米碳材料組成的纖維，如碳納米管纖維和石墨烯纖維，由于其出色的特性，因此基于這種納米纖維器件的開發(fā)，未來仍將是可穿戴器件領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。

　柔性可穿戴鈣鈦礦太陽能電池

研究團隊制備的碳納米管纖維具有非常良好的柔韌性，可以輕易的將其彎折成圓環(huán)形狀，甚至可以將其打結(jié)，這對于發(fā)展未來的柔性可穿戴式器件而言有著非常重要的影響。即便將碳納米管纖維用鈣鈦礦包裹后，其柔韌性依然可以很好地保留。

“我們通過生長工藝參數(shù)和生長環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)了具有高界面附著力的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)，使得纖維器件即便在彎折甚至打結(jié)的情況下依然能夠保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和高效的光電轉(zhuǎn)換能力。” 研究團隊表示。

他們在實驗中也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次彎折雖然不可避免地會有部分鈣鈦礦的破裂，但鈣鈦礦整體并不從碳納米管纖維表面脫落，說明鈣鈦礦與碳納米管纖維表面有很強的作用力，界面結(jié)合的效果很好。

博士研究生告訴記者，對雙股加捻的纖維狀鈣鈦礦太陽能電池而言，加捻的圈數(shù)會影響兩根纖維的接觸電阻、光阻擋面積等，因此也會對最終的太陽能電池效率產(chǎn)生較大的影響。不過雙股加捻的纖維狀鈣鈦礦電池最大的優(yōu)勢是可穿戴，未來可以編織成各種各樣的織物，應(yīng)用于智能衣服?；谔技{米管纖維的鈣鈦礦太陽能電池，會在不同的光照角度下工作，這種轉(zhuǎn)化效率幾乎不隨光照角度的變化而變化，使得它更有利于應(yīng)用于可穿戴織物。

實驗結(jié)果表明，將這種雙股加捻的纖維狀鈣鈦礦太陽能電池彎折1000次，電池的性能幾乎沒有任何變化，表現(xiàn)出良好的柔性。制備出來的電池的柔性是如此之好，以至于它可以輕易的纏繞在一個直徑為0.6 mm的毛細管表面，說明此纖維狀的鈣鈦礦太陽能電池未來可以有效地制備成可穿戴的織物，應(yīng)用于未來的智能織物中。