フーダンの新しい服が再びネイチャーに登場しました！体に装着したまま携帯電話を充電でき、洗濯可能で折り曲げることもできます。

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今日、Nature 誌に中国製の衣服が紹介されました。

何も特別なことは見当たりませんか?瞬きしないでください。次の瞬間に何か魔法のようなことが起こります (電話に注意してください)。

そうです、このドレスは携帯電話をプレゼントしてくれます！ワイヤー！充電！電気！

服にパワーバンクが縫い付けられているわけではなく、普通に折りたたんで洗えるこの服自体がバッテリーなのです！

この最新の研究は復旦大学の彭慧生教授のチームによるもので、同チームが半年間でネイチャー誌に論文を発表するのは2度目となる。

ネイチャー誌の前回の記事では、研究者らは衣服を、タイピングやチャット、ナビゲーション、人間の健康情報の表示に使用できるディスプレイに変えた。

今回、両者の強みを融合し、電源問題を解決しました。

ちょっとSF大作っぽい感じがしませんか？

△「間に合う」

真面目な話、この研究はネイチャー誌の査読者からも高く評価されています。

（この研究は）エネルギー貯蔵とウェアラブル技術分野における画期的な研究です。

これはフレキシブルエレクトロニクスの分野における画期的な出来事です。

次のパワーバンクは服かもしれない

それで、このドレスの秘密は何でしょうか?

キーワードはファイバーリチウムイオン電池（FLIB）です。

△以上です

この「線」を過小評価しないでください。これまでの研究では、この「線」の長さは通常数センチメートルしかなく、携帯電話やコンピューターなどの大型電子機器に電力を供給することが困難になっています。

今回、彭慧生氏のチームは理論検証に基づき、数メートルに及ぶ高性能な長繊維リチウムイオン電池の開発に成功した。長さが1メートルのとき、エネルギー密度は85.69Wh/kgに達し、心拍数モニターや血中酸素濃度計などの市販のウェアラブルデバイスに2日以上の電力を供給できる。

通常の繊維と一緒に織り込むことで、携帯電話やタブレット端末の充電が可能になります。

折りたたんで洗っても効果はありません。

安全性も保証されています。通常の電池は、外力によって損傷を受けると、発火したり爆発したりする傾向があります。しかし実験では、布製電池は車に轢かれたりナイフで刺されたりしても安定した状態を保つことができることが示されています。

研究チームは、バッテリーが放電するにつれて衣服の温度がどのように変化するかを監視した。結果は、40 分間の放電中に大きな温度変動は見られなかったことを示しました。

さらに、500回の充放電サイクル後、この衣料用バッテリーの容量保持率は90.5％に達し、クーロン効率は99.8％です。曲率半径が 1 cm の場合、10 万回曲げた後でも容量保持率は 80% を超えます。

1メートルあたりのコストは3セント未満

前述のように、これまでは数センチメートルを超える長さのファイバーリチウムイオン電池を工業規模で生産することは困難でした。その重要な理由の 1 つは、繊維が長くなると内部抵抗が高くなると考えられており、バッテリーの内部抵抗が電気化学的性能に重要な影響を及ぼすことです。

では、復旦大学の彭慧生氏のチームはどのようにしてこの画期的な成果を達成したのでしょうか?

2つの側面があります。

まず、繊維の内部抵抗とその長さが双曲余接関数の関係を示すことを発見しました。

つまり、繊維の内部抵抗は、長さが長くなるにつれて最初は減少し、その後は平坦になる傾向があります。

それで、二人の関係はどうやって発見されたのでしょうか?

手作りリチウム電池。

電池の正極は、リチウム電池の典型的な正極活物質であるコバルト酸リチウム LCO でコーティングされたアルミニウム線です。負極は、短絡を防ぐためにグラファイトでコーティングされ、市販の絶縁フィルムで包まれた銅線です。

正極と負極を巻き合わせて、異なる長さ（0.1m、0.2m、0.5m、1m）の繊維状リチウム電池を作製し、その電気化学特性を測定した。

最後に、体系的な研究により、この関係は普遍的であり、さまざまなファイバー バッテリーに有効であることが示されました。

理論的根拠が実現可能になったので、私たちは第 2 段階、つまり数メートルの長さの高性能ファイバー バッテリーの工業的準備と生産に進みます。

最大の難しさは、スラリーを正極と負極に均一に塗布する方法です。

現在市販されているバッテリーのほとんどにはこのような問題はなく、平らな基板に均一に塗布でき、厚さの制御も容易です。しかし、柔軟で曲がった繊維表面では非常に困難です。

これは、コーティング充填プロセス中に、曲面構造により活物質がより大きな表面張力を受けるため、活物質のコーティングが不均一になり、バッテリー全体の性能と安定性に影響を与えるためです。

論文の筆頭著者である何継青氏は、The Paperとのインタビューで、これにより曲面に不均一なビーズ構造が生じるだろうと述べた。

研究チームは、電極表面が滑らかになる最適なバインダー含有量を発見した。

では、具体的にはどのように準備されるのでしょうか?

リチウムコバルト酸化物 (LCO) (赤) とグラファイト (青) のスラリーが、それぞれアルミニウムと銅の集電体にコーティングされています。

今年3月、彼らが制作した衣服展示が『ネイチャー』誌に掲載された。

その後、押し出し成形によりチューブに包装されます。包装チューブはポリプロピレンチューブをアルミプラスチックテープで巻いたもので、水蒸気透過性が低く、外部環境の影響を受けにくいです。

こんなに高度な技術内容なのに、価格はどうですか？

論文紹介：1メートルあたりのコストは0.05米ドル弱（約0.3人民元）で、消費者向け製品としては経済的です。

彭慧生のチームは半年間でネイチャー誌に2度論文を発表した。

最後に、このプロジェクトを支えるチームについて簡単に紹介させてください。

復旦大学高分子科学部の彭慧生氏のチームは、10年以上にわたってフレキシブル電子材料の研究を行ってきました。

今年上半期には、国際的なトップジャーナルから2度も評価されました。

今年3月、彼らが制作した衣服展示が『ネイチャー』誌に掲載された。

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チャットやナビゲーションが可能で、洗濯や折り曲げにも耐えられます。織物の長さは最大6メートルで、最小間隔0.8mmの50万個の発光ユニットが含まれており、高解像度ディスプレイの要件を満たすことができます。

そして今、彼らは充電可能な衣類を身につけて自然に戻ってきました。

共同筆頭著者は、高分子科学科の博士課程の学生2名、He Jiqing 氏と Lu Chenhao 氏です。

彭慧生さんは2008年に復旦大学に戻ったばかりの頃、すでに「リチウムイオン電池を繊維にできたら面白いだろうな」と考えていた。

2013年、彭慧生氏のチームは世界初のファイバーリチウムイオン電池を開発し、それ以来拡大を続けています。

現在、私たちは大規模生産に向けて新たな一歩を踏み出し、より明確な実用的価値を持っています。

彭慧生氏は次のように述べた。

現在のファイバーリチウムイオン電池の性能とエンジニアリングレベルから判断すると、 3〜5年以内に大規模な生産と応用が達成されると予想されます。リソースを集中して効率的に使用すれば、 2～3年で達成できる可能性があります。

おそらく近い将来、あなたの次のパワーバンクは衣類になるでしょう。 （手動犬頭）

論文の宛先:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03772-0