(Phys.org) — Om det nyligen släppta Google Glass och snart-tillgängliga Apple iWatch är någon indikation, bärbar elektronik kan bli framtidens nästa stora våg. Även om de erbjuder några banbrytande funktioner, från huvuddisplayer till biomedicinsk övervakning, den största flaskhalsen för bärbara teknologier är utan tvekan batteriet. Batterierna måste inte bara vara väldigt små och lätta, men de måste också vara tillräckligt kraftfulla för att möta energibehovet för enheternas många funktioner.

I en ny studie publicerad i Nanobokstäver , forskarna Wei Weng, et al., vid Fudan University i Shanghai, Kina, har tagit itu med strömproblemet genom att designa och tillverka kolnanorör (CNT) kompositgarn som lindas på en bomullsfiber för att skapa ett högpresterande Li-ion-batteri. Fibrerna, som har en diameter på ca 1 mm, kan sedan vävas till flexibel textil, eller tyg, och lätt att integrera i flexibel bärbar elektronik.

"En strömkälla som kan integreras direkt och sömlöst med den bärbara elektroniken behövs i hög grad, " berättade Weng Phys.org . "Därför, en kraftkälla i fiberform önskas eftersom den är flexibel och lätt att väva in i en textil. Vi tillverkade för första gången ett hellitiumjonbatteri baserat på nanorörsfibrer i kol, och fiberbatteriet kan enkelt vävas till en energitextil med hög prestanda."

Även om detta är den första realiseringen av detta CNT fiber Li-ion batteri, det uppvisar mycket goda elektrokemiska egenskaper, inklusive en hög energitäthet (0,75 mWh/cm) och förmågan att behålla 87 % av sin kapacitet efter 100 cykler.

En av de största utmaningarna med att designa Li-ion batterifibrer är att hantera det allmänt kända problemet med kiselexpansion. Under de kemiska reaktioner som uppstår under laddning/urladdningsprocessen, kisel genomgår en stor volymförändring på upp till 300 %. För att tillgodose förändringen av kiselvolymen, forskarna inkorporerade CNTs för att göra en komposit CNT/kiselgarnanod. CNTs buffertar effektivt volymförändringen av kislet och klämmer ner kislet på plats. Utan denna hybridstruktur, kislets expansion gör att det lossnar, skadar batteriet.

För katoden, forskarna använde CNT och litiummanganit, som har fördelar inklusive hög stabilitet, hög arbetsspänning, och låg kostnad. Genom att linda de CNT-baserade anod- och katodgarnen – åtskilda av en gelelektrolyt – på en bomullsfiber för att göra ett Li-ion-batteri, och sedan väva Li-ion-batterierna till en flexibel textil, forskarna visade möjligheten att tillverka ett CNT-fiber Li-ion-batteri.

Tidigare, försök har gjorts att tillverka superkondensatorfibrer, men inte mycket uppmärksamhet har ägnats åt Li-ion batterifibrer på grund av deras svåra tillverkning. Dock, Li-ion batterier har vissa fördelar, såsom högre energitätheter och lägre självurladdningsförluster, jämfört med superkondensatorer, så de ger det bättre alternativet för bärbar elektronik i allmänhet. Som Weng förklarar, det nuvarande arbetet förbättrar tidigare forskning inom detta område, men har fortfarande utrymme för ytterligare förbättringar.

"Ett Li-ion-batteri med liknande form (kabeltyp) rapporterades 2012 med koppartråd som skelett, ", sa han. "Resultatet är underbart men kanske inte lämpligt att vävas in i en energitextil. Batteriet har en stor diameter, använder flytande elektrolyt och är tung. Här, vi använder kolnanorörsfiber som skelettet vars densitet är nästan 1/9 av koppar, och vi använder gelelektrolyt för att garantera säkerheten. Även kompositgarnanoden och -katoden gjorda av kolnanorörsfiber och aktiva material uppvisar en liten diameter på 100 µm, vilket är bara 1/10 av anoden i kabelbatteriet. Därför, vårt fiberbatteri är kompatibelt med polymerfibrer som används för att tillverka kläder och som också uppnår en hög prestanda."

I framtiden, forskarna planerar att ytterligare förbättra fiberbatterierna inom en mängd olika områden.

"För det första, vi vill förbättra prestandan, såsom kapacitet och livslängd, " sa Weng. "För det andra, vi vill ha storskalig produktion. För det tredje, andra funktioner kommer att kombineras, t.ex., töjbar, allokroisk [färgskiftande], och självgående."

© 2014 Phys.org