王中林院士Adv. Mater. : 高功率、多功能三維正交編織摩擦納米發電織物

【引言】

自充電可持續供能的摩擦納米發電機（TENG）是一類新興的能量收集器件，依據接觸起電和靜電感應的耦合作用原理，TENG能夠將機械能轉化為電能。TENG的低廉、高效、環保的特征和普遍適用性使其在小規模的機械能收集和大規模的能源發電方面都具有廣闊的發展前景；值得一提的是，TENG在低頻和無規則機械能（例如，人類運動能、風能、水波能、振動能等）收集方面表現出了明顯的優勢。

TENG與傳統的編織技術的結合使自供電的智能織物成為了可能，然而目前自供電織物的發展仍舊面臨著許多嚴峻的挑戰。首先，傳統的2D TENG織物收集能量的功率過低而不足以驅動大部分可穿戴電子器件；其次，多數纖維電極或織態電極的制備過程具有復雜耗時、造價過高、不環保的缺點，并且基于這些電極的電子織物基本無法實現水洗；最后，大部分TENG織物依賴外界載體或表面獲得摩擦電能，這限制了TENG織物的應用領域。因此，發展高輸出功率、多功能、可穿戴TENG織物十分必要。

【成果簡介】

近日，中科院王中林院士研究團隊在Adv.Mater.上發表最新研究成果 “3D Orthogonal Woven Triboelectric Nanogenerator for Effective Biomechanical Energy Harvesting and as Self-Powered Active Motion Sensors”。在該文中，通過結合不銹鋼/聚酯混紡紗線、PDMS包覆的能量收集紗線和絕緣結合紗線，研究人員成功構筑了高輸出功率的三維正交編織TENG（3DOW-TENG）織物。此3DOW-TENG織物在擊打頻率為3 Hz時，最大輸出功率高達263.36 mW m^-2，遠高于傳統二維TENG織物。除此之外，自供電的3DOW-TENG織物在生物機械能量收集和運動信號追蹤方面性能優異。此研究工作也為多功能自供電織物在可穿戴電子、住宅安保與健康監護等領域的應用提供了新的方向。

【圖文導讀】

圖1 PDMS包覆的能量收集紗線

（a）三股不銹鋼/聚酯擰成的混紡紗線（能量收集紗線）不同放大倍率下的SEM圖片；

（b）PDMS包覆的能量收集紗線不同放大倍率下的橫截面SEM圖片；

（c）不同含量PDMS包覆的能量收集紗線實物圖；

（d）混紡紗線不同直徑下的開路電壓（V_OC）、短路電流（I_SC）、短路電流轉移電荷（Q_SC）；

（e）PDMS包覆的能量收集紗線拉伸、扭曲、打結、彎曲示意圖；

（f）擊打頻率為3 Hz下，PDMS包覆的能量收集紗線短路電流密度與功率密度相對于外接負載電阻值的關系曲線。

圖2 不同類型摩擦納米發電機的結構設計與性能比較圖

（a）三維正交編織摩擦納米發電機（3DOW-TENG）的制備過程；

（b）導電Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG結構示意圖；

（c）絕緣Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG結構示意圖；

（d）絕緣Z-紗線捆綁成型的納米發電機結構類型：單介電層 TENG (d1)、雙介電層TENG（d2）、3DOW-TENG（d3）；

根據電路連接方式，3DOW-TENG可進一步分為：緯線接觸單電極模式（d31）、雙電極模式（d32）、經線接觸單電極模式（d33）；

（e-g）不同結構絕緣Z-紗線捆綁成型的納米發電機的電學性能比較圖： V_oc（e）、I_SC（f）、Q_SC （g）；

（h-j）導電與絕緣Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG電學性能比較圖：V_OC（h）、I_SC（i）、Q_SC （j）。

圖3 絕緣Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG工作原理與電學性能曲線

（a）接觸-分離模式工作原理示意圖；

（b）COMSOL軟件模擬開路狀態下的電壓分布圖；

（c）45×40 cm² 大小的3DOW-TENG實物圖片；

（d）接觸-分離模式實驗設計圖解；

（e-g）不同運動頻率下（0.5-5 Hz）的電學性能：V_OC（e）、I_SC（f）、Q_SC （g）；

（h，i）3 Hz擊打頻率下，輸出電流密度與電壓（h）、功率密度（i）與負載電阻的關系曲線圖。

圖4 大面積3DOW-TENG實物展示圖

（a）大面積可穿戴3DOW-TENG織物實物圖；

（b）拉伸、折疊、卷曲機械形變狀態下的3DOW-TENG；

（c）3DOW-TENG在拍打（左圖）或踩踏（右圖）情況下點亮了組成“3DTX TENG”圖樣的71個LED燈；

（d）自供電3DOW-TENG用于可穿戴夜間警示燈展示圖，自充電3DOW-TENG織物穿戴在小臂上，點亮了組成“STOP”字樣的16個LED燈；

（e）3DOW-TENG在擊打情況下對商業電容器（0.68 μF）的充電性能展示圖；

（f）3DOW-TENG在拍打情況下對智能手表連續供電；

（g）不同運動狀態下，自供電3DOW-TENG輸出的開路電壓；

（h）自供電3DOW-TENG跳舞毯示意圖；

（i，j）拍打（左）和踩踏（右）下工作的跳舞毯。

【小結】

在文中，研究者制備了高輸出功率且穩定耐用的3DOW-TENG，經過結構類型和電路連接模式的優化，在雙電極模式下，絕緣Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG表現出最佳電學性能。三維正交的結構設計為不銹鋼/聚酯混合導電紗線提供了足夠的接觸-分離空間；PDMS包覆的能量收集混紡紗線在擊打頻率為3 Hz時其最高功率密度高達263.36 mW m^-2。此可穿戴3DOW-TENG在生物能量收集和自供能傳感等領域有廣泛的應用空間，例如供能警示燈/電容器/智能手表、運動信號追蹤、自供電跳舞毯；自充電3DOW-TENG智能織物在未來住宅安保、智能解鎖等方面也有很大的發展潛力。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部曾沙編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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