华中科技大学周军Adv. Mater. 综述：用于人体能量收集的纤维基能量转换器件

华中科技大学周军Adv. Mater. 综述：用于人体能量收集的纤维基能量转换器件

【引言】

近些年，智能手表、谷歌眼镜和运动手环等可穿戴设备受到人们的追捧。这类设备的未来发展趋势是尺寸更小、质量更轻，以满足人类对舒适度的追求。其中轻质、柔性的电源是设计超便携智能设备的关键。然而，传统的可充电电池笨重，这限制了下一代可穿戴电子产品的发展。因此，发展新一代轻质、柔性能源转换器件对于发展新型智能可穿戴设备至关重要。这类新型能源转换器件可以获取环境中的能源（如太阳能、热能、机械能等）来转换为电能。在这些能源中，其中机械能和热能在人体活动相关的。

    一位69公斤的成人日常活动能量的平均功率为100 W以上。因此，只需收集其中的1%就可能满足人体所携带的便携式电子器件的能量需求。自2006年王中林教授开发了第一款基于氧化锌纳米发电机以来，各式各样的通过收集机械能和热能的纳米发电机被研制出来，并且性能也在逐年提升。用于制备纳米发电机的材料大部分是聚合物和纳米材料，因此纳米发电机都是易与构建的柔性器件。一般来说，由薄膜材料组装而成的可弯曲器件可以单向拉伸和弯曲。但其透气性差、三维变形差、损伤容限低，这将限制其在可穿戴电子领域的应用。因此，基于纤维状的可穿戴能量转换器件(FBECD)应运而生，这些纤维器件可以编织成纱线或织物在服装可以中建立大面积的可穿戴电子系统，该系统可以从人体周围的自然资源中获取能量来维持可穿戴电子设备的供能。

【研究简介】

   基于此，华中科技大学周军教授对近些年纤维状可穿戴能源转换器件(FBECD)的研究进展进行了综述汇总。以题为“Fiber-Based Energy Conversion Devices for Human-Body Energy Harvesting”发表在Adv. Mater.上。该综述分别从材料和器件体系两个大角度，对各种类型的FBECD器件进行阐述，并且在文尾进行了总结展望。

【图文简介】

图1 人体活动所产生的能量

图2 基于不同机制的纤维状纳米发电机和自供电传感器

图3 压电效应、摩擦起电、静电效应和热电效应机制     

图4 纤维状器件制备方法

a) 静电纺丝；

b) 高压气流纺丝工艺；

c, d) 扭曲和同轴型纤维器件示意图；

e) 纤维纺纱；

f) 纤维纺织。

图5 纤维状氧化锌压电纳米发电机(FPENGs)

a) 扭曲的FPENGs结构示意图；

b) 纤维上的氧化锌纳米线阵列；

c) 两种纤维的扭曲结构示意图；

d) 无形变光纤阵列装置原理图；

e) 形变下，FPENGs的压电势分布；

f, g) 0.53 MPa下，FPENGs的输出电流和输出电压。

图6 纤维状PVDF压电纳米发电机

a) 近场静电纺丝在基板上制备PVDF；

b) 单个PVDF纳米纤维的SEM图像；

c) PVDF-TrFE纱线和纤维的SEM图像；

d) PVDF-TrFE纤维弯曲试验原理图；

e) FPENG为几种弯曲和不弯曲状态产生电压；

f) PFM实验原理图；

g) PVDF-TrFE纳米纤维的压电响应性能。

图7 纤维状摩擦发电纳米发电机(FTENGs)

a) 基于纳米化PDMS结构的FTENG原理图；

b) 同轴结构FTENG。

图8 纤维状驻电体纳米发电机(FBENGs)

a) 扭曲FENG的原理图和光学图像；

b) 电晕充电的过程；

c) FENG工作机制；

d-e) 正向与反向测试时的输出电流曲线；

f) 同轴FENG器件的结构示意图；

g) FENG器件的照片；

h-k) 拉伸、弯曲、扭转、按压状态下FENG的电荷位置。

图9 纤维状热电发电机(FTEGs)

a) FTEG纺织品；

b) 虎纹纱FTEG器件结构的光学图片。

图10 可穿戴器件

 a) 纺织器件的照片；

b-f) 纺织器件的输出性能；

g) 为电子表供电的自动充电系统的光学图像;

h) 织物在水下工作的图像；

i) 器件反复清洗后的电学性能。

图11 自供电系统和传感器

a) 纤维状的自供电系统方案；

b-d) FTENGs工作结构示意图，光学图片和工作机制；

e) 自供电系统电路图；

f) FDSSC与FTENG混合装置充电曲线；
g) FTENGs的归一化QSC值、FDSSCs的ISC值以及FSCs在不同弯曲状态下的电容保持量。

图12 FTENG触摸传感系统

a) FTENG用于可穿戴自供电手势传感手套的照片；

b) 一个自供电的人机交互界面；

c) 一种自供电脉冲计螺纹；

d) 无线检测人体在床上的运动。

【总结与展望】

  文末，作者提出了一下几点建议：

1. 纤维状能量转换器件的效率有待于进一步提升
2. 材料在不同环境下的耐久性需要进一步加强
3. 为纤维状能量转换器件提供定制的电源控制系统
4. 对材料与纤维界面进行优化，避免材料脱落，提高耐洗性
5. 提升大面积纺织器件的透气性、舒适性和耐磨性
6. 将不同发电机理结合到一个器件之中，提升效率

文献链接：Fiber-Based Energy Conversion Devices for Human-Body Energy Harvesting，2019，Adv.Mater. DOI：10.1002/adma.201902034

周军教授简介：

周军，华中科技大学教授、博士生导师。2001年和2007年分别获中山大学学士学位和博士学位，先后以访问学生和博士后身份在美国佐治亚理工学院学习和开展研究工作。主要从事新型能量转换材料及器件研究工作，已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials等国际重要学术期刊发表论文100余篇，引用超过13000次，H指数60。多项研究工作被Nature Nanotechnology、Science Daily、Physics World、Chemistry World等期刊和网站专题报道或评述。曾获2016年度国家自然科学二等奖、2015年度高等学校科学研究优秀成果奖—自然科学一等奖。入选2018年科睿唯安全球高被引科学家（交叉）、国家“万人计划”青年拔尖人才（2014）、教育部“青年长江学者”（2015），获国家优秀青年基金资助（2014-2016）。

代表性论文列表：

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.