華中科技大學周軍Adv. Mater. 綜述：用于人體能量收集的纖維基能量轉換器件

華中科技大學周軍Adv. Mater. 綜述：用于人體能量收集的纖維基能量轉換器件

【引言】

近些年，智能手表、谷歌眼鏡和運動手環等可穿戴設備受到人們的追捧。這類設備的未來發展趨勢是尺寸更小、質量更輕，以滿足人類對舒適度的追求。其中輕質、柔性的電源是設計超便攜智能設備的關鍵。然而，傳統的可充電電池笨重，這限制了下一代可穿戴電子產品的發展。因此，發展新一代輕質、柔性能源轉換器件對于發展新型智能可穿戴設備至關重要。這類新型能源轉換器件可以獲取環境中的能源（如太陽能、熱能、機械能等）來轉換為電能。在這些能源中，其中機械能和熱能在人體活動相關的。

? ??一位69公斤的成人日常活動能量的平均功率為100 W以上。因此，只需收集其中的1%就可能滿足人體所攜帶的便攜式電子器件的能量需求。自2006年王中林教授開發了第一款基于氧化鋅納米發電機以來，各式各樣的通過收集機械能和熱能的納米發電機被研制出來，并且性能也在逐年提升。用于制備納米發電機的材料大部分是聚合物和納米材料，因此納米發電機都是易與構建的柔性器件。一般來說，由薄膜材料組裝而成的可彎曲器件可以單向拉伸和彎曲。但其透氣性差、三維變形差、損傷容限低，這將限制其在可穿戴電子領域的應用。因此，基于纖維狀的可穿戴能量轉換器件(FBECD)應運而生，這些纖維器件可以編織成紗線或織物在服裝可以中建立大面積的可穿戴電子系統，該系統可以從人體周圍的自然資源中獲取能量來維持可穿戴電子設備的供能。

【研究簡介】

? ?基于此，華中科技大學周軍教授對近些年纖維狀可穿戴能源轉換器件(FBECD)的研究進展進行了綜述匯總。以題為“Fiber-Based Energy Conversion Devices for Human-Body Energy Harvesting”發表在Adv. Mater.上。該綜述分別從材料和器件體系兩個大角度，對各種類型的FBECD器件進行闡述，并且在文尾進行了總結展望。

【圖文簡介】

圖1 人體活動所產生的能量

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圖2 基于不同機制的纖維狀納米發電機和自供電傳感器

圖3 壓電效應、摩擦起電、靜電效應和熱電效應機制?????

圖4 纖維狀器件制備方法

a) 靜電紡絲；

b) 高壓氣流紡絲工藝；

c, d) 扭曲和同軸型纖維器件示意圖；

e) 纖維紡紗；

f) 纖維紡織。

圖5 纖維狀氧化鋅壓電納米發電機(FPENGs)

a) 扭曲的FPENGs結構示意圖；

b) 纖維上的氧化鋅納米線陣列；

c) 兩種纖維的扭曲結構示意圖；

d) 無形變光纖陣列裝置原理圖；

e) 形變下，FPENGs的壓電勢分布；

f, g) 0.53 MPa下，FPENGs的輸出電流和輸出電壓。

圖6 纖維狀PVDF壓電納米發電機

a) 近場靜電紡絲在基板上制備PVDF；

b) 單個PVDF納米纖維的SEM圖像；

c) PVDF-TrFE紗線和纖維的SEM圖像；

d) PVDF-TrFE纖維彎曲試驗原理圖；

e) FPENG為幾種彎曲和不彎曲狀態產生電壓；

f) PFM實驗原理圖；

g) PVDF-TrFE納米纖維的壓電響應性能。

圖7 纖維狀摩擦發電納米發電機(FTENGs)

a) 基于納米化PDMS結構的FTENG原理圖；

b) 同軸結構FTENG。

圖8 纖維狀駐電體納米發電機(FBENGs)

a) 扭曲FENG的原理圖和光學圖像；

b) 電暈充電的過程；

c) FENG工作機制；

d-e) 正向與反向測試時的輸出電流曲線；

f) 同軸FENG器件的結構示意圖；

g) FENG器件的照片；

h-k) 拉伸、彎曲、扭轉、按壓狀態下FENG的電荷位置。

圖9 纖維狀熱電發電機(FTEGs)

a) FTEG紡織品；

b) 虎紋紗FTEG器件結構的光學圖片。

圖10 可穿戴器件

?a) 紡織器件的照片；

b-f) 紡織器件的輸出性能；

g) 為電子表供電的自動充電系統的光學圖像;

h) 織物在水下工作的圖像；

i) 器件反復清洗后的電學性能。

圖11 自供電系統和傳感器

a) 纖維狀的自供電系統方案；

b-d) FTENGs工作結構示意圖，光學圖片和工作機制；

e) 自供電系統電路圖；

f) FDSSC與FTENG混合裝置充電曲線；
g) FTENGs的歸一化QSC值、FDSSCs的ISC值以及FSCs在不同彎曲狀態下的電容保持量。

圖12 FTENG觸摸傳感系統

a) FTENG用于可穿戴自供電手勢傳感手套的照片；

b) 一個自供電的人機交互界面；

c) 一種自供電脈沖計螺紋；

d) 無線檢測人體在床上的運動。

【總結與展望】

? 文末，作者提出了一下幾點建議：

1. 纖維狀能量轉換器件的效率有待于進一步提升
2. 材料在不同環境下的耐久性需要進一步加強
3. 為纖維狀能量轉換器件提供定制的電源控制系統
4. 對材料與纖維界面進行優化，避免材料脫落，提高耐洗性
5. 提升大面積紡織器件的透氣性、舒適性和耐磨性
6. 將不同發電機理結合到一個器件之中，提升效率

文獻鏈接：Fiber-Based Energy Conversion Devices for Human-Body Energy Harvesting，2019，Adv.Mater. DOI：10.1002/adma.201902034

周軍教授簡介：

周軍，華中科技大學教授、博士生導師。2001年和2007年分別獲中山大學學士學位和博士學位，先后以訪問學生和博士后身份在美國佐治亞理工學院學習和開展研究工作。主要從事新型能量轉換材料及器件研究工作，已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials等國際重要學術期刊發表論文100余篇，引用超過13000次，H指數60。多項研究工作被Nature Nanotechnology、Science Daily、Physics World、Chemistry World等期刊和網站專題報道或評述。曾獲2016年度國家自然科學二等獎、2015年度高等學校科學研究優秀成果獎—自然科學一等獎。入選2018年科睿唯安全球高被引科學家（交叉）、國家“萬人計劃”青年拔尖人才（2014）、教育部“青年長江學者”（2015），獲國家優秀青年基金資助（2014-2016）。

代表性論文列表：

1. J. Duan, G. Feng, B. Y. Yu, J. Li, M. Chen, P. H. Yang, J. M. Feng, K. Liu, G. Feng and J. Zhou*, Aqueous thermogalvanic cells with high Seebeck coefficient for low-grade heat harvest, Nat. Commun. 2018, 9, 5146.
2. H. Yang, K. Liu, Q. Chen, J. Li, J. J. Duan, G. B. Xue, Z. S. Xu, W. K. Xie, J. Zhou*, Solar-driven simultaneous steam production and electricity generation from salinity, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1923-1927.
3. B. Xue, Y Xu, T. P. Ding, J. Li, J. Yin, W. W. Fei, Y. Z. Cao, J. Yu, L. Y. Yuan, L. Gong, J. Chen, S. Z. Deng, J. Zhou*, W. L. Guo*, Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 317-321.
4. J. W. Zhong, Q. Z. Zhong, G. J. Chen, B. Hu, S. Zhao, X. Li, N. Wu, W. B. Li, H. M. Yu, J. Zhou^*, Surface charge self-recovering electret film for wearable energy conversion in a harsh environment, Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3085-3091.
5. P. H. Yang, K. Liu, Q. Chen, X. B. Mo, Y. S. Zhou, S. Li, G. Feng and J. Zhou*, Wearable Thermocells Based-on Gel Electrolytes for Utilization of Body Heat, Angew. Chem. Int. Edit. 2016, 55, 12050-12053.
6. W. Zhong, Y. Zhang, Q. Z. Zhong, Q. Y. Hu, B. Hu, Z. L. Wang, J. Zhou*, Fiber-Based Generator for Wearable Electronics and Mobile Medication, ACS Nano 2014, 8, 6273-6280.