本期财连线嘉宾：

彭慧胜 复旦大学高分子科学系主任、教授，国家重点研发计划首席科学家

编辑 | 李梦琪

策划 | 郭楠

人类对未来生活的想像可以有多大胆？或者说，基础科学的突破还会为人类社会带来怎样的惊喜？

一件衣服也可以发电、治病，这种曾经仅出现在科幻电影里的场景在科学家的努力下正逐渐变为现实。

曾经衣服的基本单元是纤维，最基本的功能就是保暖。随着技术不断创新发展，社会整体向数字化转型，就连“纤维”也向“电子”进化。

彭慧胜教授及他的团队从智能高分子纤维与织物研发领域出发，在织物显示的路上不断求索，为电子设备的输出与显示创新做出贡献，他们团队研究出二十多种纤维器件，其中构建的纤维锂离子电池具有优异且稳定的电化学性能，能源密度较过去提升了近2个数量级。

彭慧胜及其团队研究的纤维器件应用于实际生活中，能够推动医疗、人工智能等领域发展。

正如彭慧胜所说，“如果每一根纤维具有不同功能，可以实现功能的定制，那么从能源系统到信息技术到物联网、人工智能、大健康，以及未来太空探测，它都将发挥重要作用。”

社会创新每向前推进一步，都离不开科研工作者的努力。扎根电子纤维领域十年如一日，彭慧胜及其团队研制出不同种类的纤维器件，推动中国新材料发展。

以下内容整理自彭慧胜在复旦大学管理学院“瞰见对话科创人物”讲座上的发言：

“电子织物”，催生千亿级市场

电子器件是现代信息化社会发展的原动力，也正在朝着微型化、柔性化、集成化方向发展。

世界上第一台计算机很笨重，重约30吨，现在大家使用的笔记本电脑最轻可能只有一公斤，而未来将主导我们生活的穿戴式电子设备，可能就只有几十克了。

趋势之下，电子器件的结构从三维块体向二维薄膜演化。换句话说，如果在一个维度上把三维的电子器件做小，就变成了二维的柔性薄膜。

从2008年开始，我们团队重点提出和实现一维的纤维器件——在二维的基础上，进一步把一个维度做小，转变成一维的纤维器件。

做成一维的纤维电子器件之后，材料就具有了更好的柔软性。到目前为止，我们已经实现了纤维电子器件的储能、发光、发电、显示、传感、治疗、计算、通讯等系列功能。

这些纤维器件在电子织物、可穿戴设备、新能源、信息技术、物联网、人工智能、大健康等领域都显示出巨大的应用前景。

下面，我以电子织物和可穿戴设备为例进行简单介绍。

把纤维织成织物是人类文明的一个重要标志。不久前，欧盟提出了一个非常重要的战略报告，认为第四次纺织工业革命是电子织物，也就是说，要将具有储能、发光、发电、显示等等电子器件功能的新型纤维变成电子织物。电子织物未来五到十年的市场规模在2万亿欧元，这是非常庞大的市场。

另一个应用是在可穿戴设备方面，Strategy Analytics分析全球市场规模将会达到千亿美元级别，并将推动现代通讯、医疗器械、微电子等领域发展。纤维是一种非常好的可穿戴载体，对人体来说非常舒适。

从未被报道过的

纤维聚合物锂离子电池有多重要？

如何利用纤维技术得到电子器件？第一个产物是纤维聚合物锂离子电池。

如上图所示，电池包括化学电池、物理电池和生物电池，化学电池又包括一次电池、二次电池和燃料电池，我们重点研究的是二次电池当中的锂离子电池。

下面我重点分享一下纤维锂离子电池和太阳能电池：

上世纪五十年代，人类为了制备能量密度更高的电池体系，开始研究锂一次电池。

上世纪六十年代，能源危机推动了锂一次离子电池快速发展，包括纽扣式的锂锰电池和锂氟化碳电池的发展。

1970年，埃克森公司Whittingham提出了二次电池，锂离子电池的设想，但是没有真正实现。

1980年的时候，Goodenough研发了正极钴酸锂材料。

1985年的时候，旭化成公司Akira Yoshino发现，石墨可以作为一个非常好的负极材料。

在此基础上，1991年，索尼公司和旭化成公司真正实现了锂离子电池的商品化，生产出了真正的产品，之后几年进一步推动锂离子电池作为动力电池使用。目前，锂离子电池已经在生产生活的各个方面得到广泛应用。

Whittingham、Goodenough和Akira Yoshino三位科学家也因为在锂离子电池方面，从概念到材料上所做出的开创性工作，获得了2019年的诺贝尔化学奖。

其实，锂离子电池的组成非常简单，包括正极、负极和电解液，一般基于有机小分子溶剂作为电解液，所以大家会经常听说锂离子电池会燃烧、爆炸。另外，它还有隔膜，封装，其中封装包括硬壳的金属壳、软包等。总体来讲，目前的锂离子电池是比较刚性的结构。

它的原理非常简单，充电的时候，锂离子从正极通过电解液嵌入到负极，放电的时候是一个逆向的过程，总的反应是非常简单。

锂离子电池为什么会在生产生活得到如此大规模的应用？因为它具有非常优异的性能：没有记忆效应，可以随时充电，随时放电，循环寿命长，自放电小，能量转化效率高，尤其是和其他二次电池对比，它的能量密度比其他化学二次电池都要高。

但是还存在一个很重大的挑战,刚性结构、有机溶剂会导致易燃易爆等安全性问题，无法满足可穿戴和可植入电子器件等重要新兴领域的迫切发展需要。

如何解决上述问题？如果是刚性结构，我们就把它做成纤维，柔软的纤维能够解决问题。而有机溶剂是小分子，容易挥发导致着火燃烧，甚至发生爆炸。因此，我们采用聚合物凝胶电解质就可以有效解决相关问题。

纤维聚合物锂离子电池是一个非常重要和有用的电池体系，但从2008年我们工作开始，它从来没有被报道过。

为什么没有被报道？因为它确实有很多难点，从平面结构到纤维结构，它的电场分布、电荷传输和界面均发生明显变化。而我们生活中手机、电脑用到的平板电池都是正极、负极，中间是电解液。如果要做成纤维锂离子电池，该如何进行？

把正极的板和负极的板变成两根纤维的电极，然后缠绕起来。平板电极形成的电场是均匀的，这样易于设计活性材料，只要是均匀的就可以进行匹配。

但是，如果形成两个纤维电极的话，形成的电场是不均匀的，很难制备活性材料进行匹配，这是第一个科学难题。

第二个科学难题，对于平板电池，它的电荷传输路径较短，但是对于纤维电池来说，它的长度是几米、几千米，甚至更长，如何确保电荷沿纤维长度方向进行有效传输至关重要。

第三个科学难题，在制备和使用过程中，柔性的电池体系会自然形变，怎么确保活性材料在变形的时候不会从集流体上脱落下来，得到一个稳定界面。

我们逐一解决上述三个科学难题以后，就可以实现纤维锂离子电池，达到技术突破。

得到纤维形态的有效工作以后，接下来是解决安全性问题，聚合物凝胶电解质是一个非常有趣的体系。

聚合物凝胶电解质

聚合物在反应之前是小分子的单体，它也是液体的，但是进入电池以后，我们让它聚合反应形成一个网络结构，这样就可以形成凝胶。它是准固态的，不会流出来，不会着火，也不会燃烧，这样就成功解决了安全性问题。

在此基础上，我们设计了连续化的制备方法，包括四个步骤：

首先，我们让导电纤维通过正负极活性材料得到正负极；

第二步，在负极的表面燃烧上隔膜，隔膜的作用是避免正负极直接接触导致短路； 第三步，把正负极纤维进行加捻组装起来； 第四步进行封装，就得到了纤维聚合物锂离子电池。

我们根据连续化方法，设计和定制的生产线，每年产能达到150吨。

对于电池而言，能量密度是非常重要的参数之一，我们目前制备的电池是124Wh/kg，这已经足够满足很多生产生活应用的需要。比如我们按照纤维电池300微米来算，做成一件衬衣的话，可以产生102866mAH电量，可以把52部智能手机充满电。

我们进一步将纤维锂离子电池编成织物，放到水里面然后挤干，这个过程中仍然可以有效地给iPad充电。做成织物以后，可能碰到一个钉子，它被扎破了，怎么办？它不会着火，不会燃烧，也不会影响正常工作，仍然可以有效地给iPad充电。

大家刚才看到，充电是用两根导线连起来的，纤维聚合物锂离子电池高度微型化以后很容易和无线充电的装置进行集成，得到一块织物以后就把手机放上去，无需连线就可充电，这意味着未来我们把手机揣在口袋里充电，纤维聚合物锂离子电池可以稳定地供电。

具备商业化开发的潜力

纤维发电的研究与应用

尽管高性能纤维锂离子电池能够稳定供电，安全性问题也已经解决，但普通锂离子电池需要充电，怎么办？

如果我们把太阳能电池也做成纤维，把太阳能电池和锂离子电池编织在一块，这样就可以实现自供电，我们就不用担心以后没有电了。

那么，如何得到纤维太阳能电池？我们创建了一系列新型纤维状的聚合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，可以用不同的活性材料来制备。

这里的活性材料主要是光电活性材料，前面锂离子电池使用的是电化学活性材料。主要结构是相似的，所以主要改变的是活性材料。比如说，我们用光电活性材料来取代刚才的电化学活性材料，两根纤维电极缠绕起来，就得到了纤维太阳能电池。

把纤维聚合物太阳能电池打结以后，反复弯折，可以看到表征太阳能电池最重要的一个参数——光电转化效率，它吸收了太阳光，可以把光能转化成电能。变形以后和变形以前进行对比，基本上保持在90%，这意味着它有非常好的柔性。进一步说，光电转化效率到底有多高，到目前为止可以做到12%，也就是说，具有了商业化开发的潜力。

另外，它有一个非常有趣的性能，如果是一个纤维的太阳能电池，不管光从哪个角度照，它的发电是比较稳定的，从0度到180度改变光的入射角度，光电转化效率几乎是保持不变的，这是非常重要的，因为把纤维太阳能电池编成一件衣服的话，衣服被穿着，是一定会变形的，光的入射角度也是一直在改变的，所以要确保在变形的过程中产生的电是恒量的，这样才能确保这个电子产品能够稳定地工作。

12%究竟意味着什么？如果我们进一步地把它做成一件衣服，这件衣服80%用纤维太阳能电池编织而成，那么这件衣服每天所产生的电量可以给36部手机充满电，大家能够想象到，这足够满足日常生活应用的需要。

除了科学家和工程师对这个技术感兴趣，实际上有很多领域的专家对此也很感兴趣，比如时装界，他们举办了一场可穿戴太阳能电池时装秀，他们认为未来的时装一定是电子织物。

所以他们举办了一场以硅基片太阳能电池来展示的时装秀，但是它并不能真的产生电，完全不是一个概念，而且硅基板很重，穿着非常不舒服的。纤维的太阳能电池才是他们真正想要的，能够解决实际问题，这方面的研究工作，我们也正在进一步开展。

把“显示屏”穿在身上

纤维发光器件的应用与前景

如果上面两类器件的功能是提供电，那么接下来再和大家分享第三类纤维发光与显示器件，它们需要使用电。

从早期显示管到液晶显示，再到有机发光二极管，到柔性薄膜显示屏，显示技术推动信息科技革命，对人类生产生活起到了至关重要的作用。

在整个技术的演变过程中，科学发现做出了非常重要的贡献，我们简单地回顾一些有代表性的科学发现。

1905年诺贝尔物理奖，观察到阴极射线轰击铝箔时的发光现象。后来半导体结构理论奠定了高性能发光二极管理论的基础，获得2000年诺贝尔物理奖，当年诺贝尔化学奖授予导电高分子，实现了柔性聚合物发光和显示材料。

2014年诺贝尔物理奖是蓝色的发光二极管。从基础现象到材料到器件，科学推动了整个显示技术的发展。

我们所做的工作也比较有趣，首先跟大家介绍纤维发光器件。它的原理跟太阳能电池是反过来的，太阳能电池是吸收光产生电，而纤维发光器件是通电发光。

我们把发光的高分子活性材料涂附到纤维电极表面，外面再涂附一层薄膜作为另一个电极，因为任何器件一般包括两个电极和中间的活性材料。我们得到的纤维发光器件，叫纤维聚合物发光电化学池。

Zhang, et al. Nature Photon. 2015, 9, 233

2015年，Nature在伦敦总部举行了新闻发布会，认为这是整个发光领域突破性的重大进展。实际上这个工作的应用不光是在发光领域，对其他领域的应用是非常重要的。

比如，脑科学家可以利用我们的这种发光纤维来对神经进行精准的多点的光刺激。过去的点光源、面光源很难做到精准的点刺激，而纤维光源可以有效地完成这个使命。

另外，还可以把发光纤维编成毯子。治疗患有黄疸新生儿时候，要放在箱子里，用蓝光进行治疗，但是里面蓝光相对强度比较高，所以儿科医生和我们合作把发蓝光的纤维编成织物，变成一个毯子，温和发光，从而更加安全地给婴儿治疗。

当然，这样的毯子也可以治疗各种皮肤病，甚至体内的疾病也有非常好的治疗前景。发光纤维编成织物，织物还可以显示图案，但它并不是真正传统意义上像素点显示的技术。

Shi, et al. Nature 2021, 591, 240

花了很多年的尝试以后，我们才成功实现像素点显示织物。

织物显示器件具备良好的洗涤性能，我们按照最严苛的工业标准，在60度的水温下加上洗涤剂和钢球，把显示织物放在洗衣机里洗，洗之前和洗之后，织物形态有效发光的亮度基本都是能保持的。

我们进一步定量跟踪，发现机器洗涤100次后，发光的亮度基本保持不变。也就是说，在洗涤过程中的稳定性可以有效保持。机器洗涤一次相当于日常生活洗涤的5次，也就是说洗涤500次都没有问题，非常稳定，这意味着在显示织物使用寿命的范围内，也就是一般电子产品使用的周期范围内，它是可以稳定工作的。

我们得到了显示织物，它需要用电，刚好我们前面介绍的太阳能电池和锂离子电池完全可以实现自供电，把信息输入输出和控制系统全部进行纤维化以后，我们就得到了电子织物显示系统。

电子织物未来可能将会有以下一些应用：

第一个例子，你骑着摩托车，不能手上拿着手机，不方便也不安全，我们可以把这个织物集成到你的衣服上，也可以贴在你的衣袖上，它就可以起到导航的作用。

第二个应用，你的衣袖起到了手机的作用，它可以收发信息，也可以打电话，所有的操作全部可以在你的衣袖上来实现。

第三个应用更加有趣，一些特殊的人群不能说话，但是他有脑电波，可以把脑电波采集下来，实时显示在他的衣服上。对于这个人来说，他想说的话很快就显示出来，比说话还要快，对方可以马上看到，这样就实现了实时沟通和交流。

全世界有几千万这样的特殊人群，这样的话能够真正让这些人的生活变得更加方便，甚至可以在很多领域大大拓展他们工作的区间。

第四类，纤维传感器。传感器非常重要，在我们生活的每一个角落都需要用到，我们把它做成纤维以后，它会带来非常多独特的优势。比如，把它编成一件织物，人在运动的时候穿着这件织物就可以随时对生理指标进行检测。

从2008年起，我们历经十多年努力研制出变色纤维器件，截止到目前我们大概做了20多种具有不同功能的纤维器件，其中一些也已经可以规模化的制备和生产。

此外，我们让纤维电子器件集成变得容易，可以把纤维轴向方向进行集成，可以进行多股缠绕，也可以编成织物进行集成。

如果每一根纤维具有不同功能的话，可以实现功能的定制，从各种能源系统到信息技术到物联网、人工智能、大健康，以及未来太空的探测，都可以发挥非常重要的作用。我梦想和坚信智能纤维电子器件将改变人类的生活方式。

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