Nat. Commun.王中林院士團隊：用于穿戴設備的可水洗柔性納米發電機

【引言】

近年來，可穿戴電子產品如智能織物、健康/運動監測產品等發展迅速并受到越來越多的關注。從實際應用和審美的角度來說，要求可穿戴設備及其供能模塊具有體積小、重量輕、靈活性好和可清洗等特點。盡管電子產品的功耗需求逐漸降低、電池能量密度逐漸提高，但當前的可穿戴設備仍主要采用傳統剛性鋰電池而不具備自充電功能，由此帶來了電池的頻繁充電、更換等一系列問題。

【成果簡介】

針對上述問題，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）等提出了一種兼具可穿戴、可水洗和高輸出特性等優點的自供能系統。該系統可直接收集人體的各種運動能并且能夠持續不斷地為可穿戴電子設備提供能量。

該系統功能的實現得益于其所研發的具有高能量收集效率的可穿戴摩擦納米發電機（TENG）。上述TENG主要由兩部分組成，一是由介電層及其外電極形成的空心管；二是帶狀式的內電極，它與空心管的內壁直接相連并沿管軸線方向呈螺旋狀結構。該TENG兼具柔性、彈性、可編織、可水洗、高穩定性及低成本等優點，同時表現出優異的發電性能，可以將壓、拉、彎等動作所產生的能量有效地轉化為電能。他們將上述TENG與超級電容器/電池組成自充電系統，并將系統安裝在鞋底、編織在衣服上直接采集人體運動機械能，持續不斷的驅動各種可穿戴電子設備，如電子手表和健身跟蹤器等，同時額外的能量可儲存于超級電容器或者電池中，以備人體休息時可繼續驅動可穿戴電子設備。

【圖文導讀】

圖1 TENG概述

a）TENG被安裝在鞋底、編織在衣服上以驅動電子表和健身跟蹤器等可穿戴電子設備；
b）直徑為2~3mm的TENG管被織入衣服中；
c）TENG管被安裝在鞋底；
d）TENG結構圖；
e）摩擦起電電極SEM圖像；
f）插圖為炭黑/碳納米管混合物的SEM圖像，是內、外電極的導電成分。

圖2 TENG工作機理及輸出特性

a）TENG工作機理；
b）該TENG 與先前TENG 的輸出電荷密度（σsc）比較。左上角和右下角插圖分別表示基于液態-金屬的摩擦納米發電機（LM-TENG）和基于角狀聚吡咯的摩擦納米發電機（hPPy-TENG）；
c、d）螺旋帶結構TENG和直形結構TENG的不同方向示意圖；
e）螺旋帶結構TENG和直形結構TENG的輸出電荷密度（σsc）；
f、g）電極寬度d=5mm時的示意圖、輸出電荷（Qsc）及輸出電荷密度（σsc）；
h、i）電極與水平方向夾角為45°時的示意圖、輸出電荷（Qsc）及輸出電荷密度（σsc）；
j、k）d= D×sinθ時的示意圖、輸出電荷（Qsc）及輸出電荷密度（σsc），其中D為管被壓下時的寬度。

圖3 不同運動時TENG的電量輸出

a）不同按壓頻率時TENG的電荷密度（σsc）；
b）不同按壓頻率時TENG的開路電壓（VOC）；
c）不同按壓頻率時TENG的短路電流（ISC）；
d、e）彎曲時，TENG工作機理及電荷密度（σsc）；
f、g）扭轉時，TENG工作機理及電荷密度（σsc）；
h、i）拉長時，TENG工作機理及電荷密度（σsc）。

圖4 TENG在應急響應和天氣指示的應用

a）TENG在水中清洗前后的電荷密度（σsc）。左側插圖表示TENG被放入水中，左側插圖表示按壓在水中清洗后的TENG可點亮32盞LED；
b、c）通過按壓織入在背心上TENG，可點亮背心上的LED警示標志：小心、通過和停止；
c）由TENG和超級電容器（SC）/鋰電池（LIB）組成自充電系統的電路圖
d、e）彎曲時，TENG工作機理及電荷密度（σsc）；
e）手動按壓兩個TENG管時的超級電容器（SC）充電曲線；
f）手動按壓五個TENG管可驅動一個溫濕度計。

圖5 步行或慢跑期間可持續驅動可穿戴設備

a）“能量鞋”；b）“能量鞋底”；c）電子表被驅動；
d）步行時，自充電系統中的鋰電池（LIB）通過能量鞋底同步充電；
e）健身跟蹤器被驅動；
f）慢跑時，自充電系統中的鋰電池（LIB）通過能量鞋同步充電。

文獻鏈接：Sustainably powering wearable electronics solely by biomechanical energy（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12744）

本文由中國科學院北京納米能源與系統研究所供稿，材料人編輯李小依編輯整理。

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