王中林院士Adv. Mater. : 高功率、多功能三维正交编织摩擦纳米发电织物

【引言】

自充电可持续供能的摩擦纳米发电机（TENG）是一类新兴的能量收集器件，依据接触起电和静电感应的耦合作用原理，TENG能够将机械能转化为电能。TENG的低廉、高效、环保的特征和普遍适用性使其在小规模的机械能收集和大规模的能源发电方面都具有广阔的发展前景；值得一提的是，TENG在低频和无规则机械能（例如，人类运动能、风能、水波能、振动能等）收集方面表现出了明显的优势。

TENG与传统的编织技术的结合使自供电的智能织物成为了可能，然而目前自供电织物的发展仍旧面临着许多严峻的挑战。首先，传统的2D TENG织物收集能量的功率过低而不足以驱动大部分可穿戴电子器件；其次，多数纤维电极或织态电极的制备过程具有复杂耗时、造价过高、不环保的缺点，并且基于这些电极的电子织物基本无法实现水洗；最后，大部分TENG织物依赖外界载体或表面获得摩擦电能，这限制了TENG织物的应用领域。因此，发展高输出功率、多功能、可穿戴TENG织物十分必要。

【成果简介】

近日，中科院王中林院士研究团队在Adv.Mater.上发表最新研究成果 “3D Orthogonal Woven Triboelectric Nanogenerator for Effective Biomechanical Energy Harvesting and as Self-Powered Active Motion Sensors”。在该文中，通过结合不锈钢/聚酯混纺纱线、PDMS包覆的能量收集纱线和绝缘结合纱线，研究人员成功构筑了高输出功率的三维正交编织TENG（3DOW-TENG）织物。此3DOW-TENG织物在击打频率为3 Hz时，最大输出功率高达263.36 mW m^-2，远高于传统二维TENG织物。除此之外，自供电的3DOW-TENG织物在生物机械能量收集和运动信号追踪方面性能优异。此研究工作也为多功能自供电织物在可穿戴电子、住宅安保与健康监护等领域的应用提供了新的方向。

【图文导读】

图1 PDMS包覆的能量收集纱线

（a）三股不锈钢/聚酯拧成的混纺纱线（能量收集纱线）不同放大倍率下的SEM图片；

（b）PDMS包覆的能量收集纱线不同放大倍率下的横截面SEM图片；

（c）不同含量PDMS包覆的能量收集纱线实物图；

（d）混纺纱线不同直径下的开路电压（V_OC）、短路电流（I_SC）、短路电流转移电荷（Q_SC）；

（e）PDMS包覆的能量收集纱线拉伸、扭曲、打结、弯曲示意图；

（f）击打频率为3 Hz下，PDMS包覆的能量收集纱线短路电流密度与功率密度相对于外接负载电阻值的关系曲线。

图2不同类型摩擦纳米发电机的结构设计与性能比较图

（a）三维正交编织摩擦纳米发电机（3DOW-TENG）的制备过程；

（b）导电Z-纱线捆绑成型的3DOW-TENG结构示意图；

（c）绝缘Z-纱线捆绑成型的3DOW-TENG结构示意图；

（d）绝缘Z-纱线捆绑成型的纳米发电机结构类型：单介电层 TENG (d1)、双介电层TENG（d2）、3DOW-TENG（d3）；

根据电路连接方式，3DOW-TENG可进一步分为：纬线接触单电极模式（d31）、双电极模式（d32）、经线接触单电极模式（d33）；

（e-g）不同结构绝缘Z-纱线捆绑成型的纳米发电机的电学性能比较图： V_oc（e）、I_SC（f）、Q_SC（g）；

（h-j）导电与绝缘Z-纱线捆绑成型的3DOW-TENG电学性能比较图：V_OC（h）、I_SC（i）、Q_SC（j）。

图3绝缘Z-纱线捆绑成型的3DOW-TENG工作原理与电学性能曲线

（a）接触-分离模式工作原理示意图；

（b）COMSOL软件模拟开路状态下的电压分布图；

（c）45×40 cm²大小的3DOW-TENG实物图片；

（d）接触-分离模式实验设计图解；

（e-g）不同运动频率下（0.5-5 Hz）的电学性能：V_OC（e）、I_SC（f）、Q_SC（g）；

（h，i）3 Hz击打频率下，输出电流密度与电压（h）、功率密度（i）与负载电阻的关系曲线图。

图4大面积3DOW-TENG实物展示图

（a）大面积可穿戴3DOW-TENG织物实物图；

（b）拉伸、折叠、卷曲机械形变状态下的3DOW-TENG；

（c）3DOW-TENG在拍打（左图）或踩踏（右图）情况下点亮了组成“3DTX TENG”图样的71个LED灯；

（d）自供电3DOW-TENG用于可穿戴夜间警示灯展示图，自充电3DOW-TENG织物穿戴在小臂上，点亮了组成“STOP”字样的16个LED灯；

（e）3DOW-TENG在击打情况下对商业电容器（0.68 μF）的充电性能展示图；

（f）3DOW-TENG在拍打情况下对智能手表连续供电；

（g）不同运动状态下，自供电3DOW-TENG输出的开路电压；

（h）自供电3DOW-TENG跳舞毯示意图；

（i，j）拍打（左）和踩踏（右）下工作的跳舞毯。

【小结】

在文中，研究者制备了高输出功率且稳定耐用的3DOW-TENG，经过结构类型和电路连接模式的优化，在双电极模式下，绝缘Z-纱线捆绑成型的3DOW-TENG表现出最佳电学性能。三维正交的结构设计为不锈钢/聚酯混合导电纱线提供了足够的接触-分离空间；PDMS包覆的能量收集混纺纱线在击打频率为3 Hz时其最高功率密度高达263.36 mW m^-2。此可穿戴3DOW-TENG在生物能量收集和自供能传感等领域有广泛的应用空间，例如供能警示灯/电容器/智能手表、运动信号追踪、自供电跳舞毯；自充电3DOW-TENG智能织物在未来住宅安保、智能解锁等方面也有很大的发展潜力。

文献链接：3D Orthogonal Woven Triboelectric Nanogenerator for Effective Biomechanical Energy Harvesting and as Self-Powered Active Motion Sensors（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702648）

本文由材料人编辑部曾沙编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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