王中林院士团队 Adv. Mater. 综述: 基于纤维/织物的压电和摩擦纳米发电机用于柔性/可拉伸/可穿戴电子和人工智能
【背景介绍】
随着第四次工业革命的推进，物联网（IoTs）、大数据、仿人机器人、人工智能（AI）等新兴产业和先进的多学科领域快速发展。然而，随着传统化石燃料的快速消耗和环保呼声的日益高涨，当前能源结构及其供给状况面临着前所未有的挑战。一方面，能源危机和生态环境恶化已成为制约社会经济发展的巨大瓶颈。因此，迫切需要将能源结构从稀缺、易污染、不可再生的矿产资源转变为丰富、环保、可再生的绿色能源。另一方面，传统的以电厂为基础的集中、固定、有序的能源供应模式与目前个人相关的功能电子产品的发展不相适应。所以不合理的能源结构和不匹配的供给模式导致了当前的发展困境。将先进的纳米发电机技术与传统的纺织工艺相结合促进了基于纺织的纳米发电机（NGs）的出现，将进一步促进下一代可穿戴电子和多方面人工智能系统的快速发展和广泛应用。NGs赋予智能纺织品机械能量采集和多功能自供电传感能力，而纺织品则为智能纺织品的发展提供了一个灵活多变的设计载体和广泛的可穿戴应用平台。由于NGs领域与纺织品领域的研究人员间缺乏有效的交互平台和沟通渠道，所以很难同时具备优异的电输出性能和纺织品相关性能的纤维/织物基NGs。
【成果简介】
近日，中科院纳米能源所王中林院士（通讯作者）团队报道了基于可穿戴纤维/织物的压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机的基本分类、材料选择、制造技术、结构设计、工作原理以及潜在的应用前景的综述。同时还总结和讨论了阻碍其大规模商业应用的潜在困难和艰巨挑战。更重要的是，希望本综述不仅能加深智能纺织品与可穿戴NGs之间的联系，而且能推动未来基于可穿戴纤维/织物的NGs的进一步研究和应用。研究成果以题为“Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。论文的共同第一作者为董凯博士和彭晓博士。
【图文解读】
图一、从结构维度和制造技术角度对纺织品进行分类
图二、常用的导电材料和电子纺织品的制造方法
常用的纺织品导电材料大致分为五类：金属和金属衍生物、导电聚合物、碳质填料、液体电极和它们的混合填料。导电纺织材料的主要制备方法主要分为：涂布、纺丝、电镀和印刷。在导电材料和其他功能材料之间主要有四种类型的复合结构：内嵌式（I）、外包覆式（II）、均匀共混式（III）和螺旋包埋式（IV）。
图三、基于织物的PENGs的工作机理
（a）压电电荷产生过程的示意图；
（b）典型的开路电压（Voc）和短路电流（Isc）与时间曲线，其中四个部分对应于（a）中的四个运动过程。
图四、典型的基于单根纤维PENGs
（a）第一种基于纤维的PENG是通过缠绕由ZnO NWs覆盖的Kevlar纤维和进一步涂覆Au的纤维开发的；
（b）通过在圆柱形碳纤维表面上覆盖纹理化ZnO薄膜而设计的空气/液体压力和心跳驱动的柔性纤维基PENG；
（c）由绝缘界面屏障的碳纤维和ZnO NWs组成纤维的PENG；
（d）高可靠性Kevlar微纤维-ZnO NWs混合物组成的PENG；
（e）由碳纤维上的ZnO NWs和纸上的可折叠Au涂覆的ZnO NWs组成柔性纤维基PENG；
（f）由一层电纺PVDF纳米纤维与PVDF薄膜一起围绕Ag沉积的尼龙长丝组成的一种柔性压电纱线；
（g）具有ZnO NWs和PVDF渗透聚合物的混合纤维PENG作为混合压电层；
（h）由β相PVDF包围的导电芯组成的熔纺压电微纤维；
（i）一种多材料压电纤维，包括中间熔体压制的PVDF-TrFE壳和带有铟长丝和聚碳酸酯包层的碳负载聚碳酸酯；
（j）一种全聚合物柔性压电纤维，其特点是柔软的中空聚碳酸酯芯被螺旋多层包层包围，该包层由交替的压电纳米复合材料和导电聚合物组成；
（k）通过在内部Ag涂覆的尼龙纤维和外部CNT板之间夹入电纺PVDF-TrFE垫制造的高柔性压电纤维；
（l）基于螺旋结构纤维的PENG，由弹性芯和缠绕芯的聚合物压电带组成；
（m）基于钙钛矿PbTiO3纳米管的纤维型PENG；
（n）通过编织熔纺PVDF压电和导电Ag涂层尼龙纱线开发的三轴编织PVDF纱线压电发电机。
图五、基于织物的具有纤维织造结构的PENGs
（a）压敏纳米纤维织物传感器，其通过编织涂覆有PEDOT的纳米纤维的PVDF电纺纱制成；
（b）由两种相互交叉的纤维组成的2D编织PENG，一种纤维用ZnO NWs生长，另一种纤维覆盖在其表面涂有钯（Pd）的ZnO NWs；
（c）由BaTiO3纳米线-PVC压电纤维组成的2D织物PENG，其与导线电极和绝缘间隔棉纱一体化；
（d）具有导电线和传统PET纱线的纳米纤维智能压电编织捻合PVDF-TrFE压电线；
（e）由纱线和压电薄膜带制成的经线和纬线组成的可拉伸编织PENG；
（f）发电触觉传感器阵列，由在弹性空心管的网状结构上编织的压电带的行和列组成；
（g）通过制造PVDF纤维和导电纤维而开发的3D角联锁机织结构PENG；
（h）具有3D间隔针织结构的全纤维压电织物，其由高β相压电PVDF单丝组成作为间隔纱线，在作为顶部和底部电极的Ag涂覆的PA复丝纱线层之间相互连接。
图六、基于织物的具有多层堆叠结构的PENGs
（a）通过将带电介电层和压电ZnO NWs组合在织物基底上来制备织物结构PENG；
（b）ZnO纳米棒图案纺织品PENG，其由垂直排列的ZnO纳米棒阵列组成，夹在两个对称的Ag涂层织物层之间；
（c）全纤维可穿戴PENG，由作为活性压电元件的PVDF-NaNbO3非织造织物和作为顶部和底部电极的弹性导电针织物组成；
（d）基于3D微图案基板上的可拉伸石墨电极和压电纳米纤维的堆叠垫的全向可拉伸PENG；
（e）通过使用电纺TPU NFs作为基材和导电PEDOT：PSS-PVP NFs和CNT层作为电极获得自供电非织造纳米纤维基PENG；
（f）具有多层组装的纳米纤维结构的PENG，其通过将纯PVDF NFs作为活性组分夹在两个PEDOT涂覆的PVDF NFs作为电极之间组装而成；
（g）通过在电纺PVDF纳米纤维的表面上生长ZnO纳米棒而开发的透气且柔韧的压电膜；
（h）基于PZT纳米纤维的PENG，其通过将PZT纳米纤维夹在顶部和底部CNF NFs网之间而制备。
图七、基于纺织品的TENGs的四种基本操作模式，以织物为基础的TENGs作为例子
图八、基于垂直接触分离模式的基于织物的TENGs的电荷生成和传递机制
（a）基本工作模型：i）原始状态、ii）彼此分离、iii）完全分离和iv）彼此接近；
（b）完整的接触分离过程中的电输出特性（Voc、Isc和Qsc）；
（c）表示两种不同介电材料之间的表面状态模型：i）接触前的电荷转移、ii）接触和iii）接触后；
（d）任何两种固体材料之间的电子云势阱模型：i）碰撞前的电子云、ii）碰撞中的电子云以及iii）碰撞后的电子云。
图九、基于单根纤维的TENGs（ 以SE模式工作且只拥有一个纤维电极）
（a）一种高度可拉伸和可伸缩的TENG纺织品，通过将由硅橡胶涂覆的不锈钢纤维组成的能量收集纤维缝合成弹性织物上的蛇形形状而实现；
（b）通过用导电的Cu涂覆的纱线电极涂覆一层PDMS作为带电层而获得的纱线状TENG；
（c）一种具有针织结构的可拉伸/可清洗的TENG织物，其包括单一的能量收集纱线，该纱线是通过在三层加捻的不锈钢/PET混纺纱线的表面上涂覆硅橡胶而获得的；
（d）通过将人造聚合物纤维紧密缠绕在芯导电纤维周围而获得的基于核-壳-纱线的TENG；
（e）通过在硅橡胶柱上螺旋缠绕Au涂覆的Cu线而设计的单股纤维基编织结构TENG；
（f）通过将液态金属（Galinstan）作为电极注入硅橡胶管中作为摩擦电和封装层而开发的基于液态金属纤维的TENG。
图十、CS模式基于单根纤维的TENG（代表性结构为核-壳结构）
基于结构组成和电极位置，CS模式基于单纤维的TENG可以分为四种类型：以介电层包裹内电极为芯层，仅外电极作为壳体（I）；介电层缠绕内部电极作为芯层和壳体（II）；内部电极缠绕在内部介电纤维上作为芯层，外部电极覆盖在外部介电管上作为壳体（III）；（III）的结构进一步覆盖最外面的电介质或封装层（IV）。
（a）通过将Cu丝卷绕到可拉伸的CNT/硅橡胶纤维上制造的高度可拉伸的基于纤维的TENG；
（b）一种纤维芯鞘结构摩擦电传感器，其以尼龙纤维缠绕导电金属纤维为芯层和以硅橡胶管缠绕的Ag NWs涂层竹纤维作为壳体；
（c）具有芯鞘纤维构造的可拉伸纤维基TENG，其由在PU纤维上包含Ag NWs和PTFE涂层的芯纤维和PDMS-Ag NWs膜的鞘电极组装而成；
（d）完全密封的能量收集纤维包含在核心中的Al线上生长的Au涂覆的ZnO NWs和在壳中的纳米结构PDMS管；
（e）具有多层核-壳和皱纹结构的可拉伸摩擦电纤维，其以丙烯纤维缠绕的Ag涂层尼龙纤维作为芯层，以起皱的PVDF-TrFE/CNT层作为壳；
（f）通过使用CNT层作为内电极和外电极并在PDMS和PMMA的摩擦电聚合物中设计多孔结构而开发的同轴摩擦电纤维；
（g）核-壳同轴结构的基于纤维的TENG，设计有导电织物包裹的硅橡胶管作为核心，CNT夹在两个硅橡胶层之间作为壳；
（h）通过将带状内电极贴附到硅橡胶管的内表面而设计的高输出管状TENG，其进一步被外电极和最外封装层覆盖；
（i）通过在硅橡胶纤维上涂覆多层CNT和PANI聚合物并且用涂漆线进一步缠绕而呈现的自供电可穿戴传感纤维；
（j）高度可拉伸的基于纱线的TENG，采用同轴芯鞘和内置弹簧状螺旋缠绕结构设计。
图十一、用窄的薄膜带或布条织造而成的织物型TENGs
（a）通过在工业织机上以交错方式编织Cu涂覆的PTFE条带和Cu电极制造的摩擦电纺织品TENG；
（b）可洗涤的纺织结构TENG，其由PTFE/Cu条带以平纹模式编织而成；
（c）采用Kapton密封铜带编织镀镍PET带开发的独立层模式TENG用于收集高空风能；
（d）基于尼龙/ Ag织物和PET/Ag织物的FT模式编织结构TENG；
（e）由Ni涂层PET织物条带和一步被绝缘聚对二甲苯膜覆盖的织物条带织成的可穿戴TENG；
（f）双层堆叠摩擦电纺织品，通过将Ni涂覆的PET经纱与硅橡胶覆盖的Ni涂覆的PET纬纱编织而成。
图十二、具有纤维织造结构的基于2D织物的TENGs
（a）大面积能量收获织物，通过将核-壳纱线与丙烯酸纱线交织成平纹结构织物；
（b）由纤维编织的可拉伸的2D织物TENG，其通过将Au涂覆的Al线插入Al箔包裹的纳米结构PDMS管中而形成；
（c）通过制造能量收集纱线而获得的基于纤维的TENG，所述能量收集纱线将CNT涂覆的棉纱加捻并且进一步通过PTFE涂覆在一起而形成；
（d）由Cu-PET纱线为经纱和PI-Cu-PET为纬纱织造而成的可机洗的纺织品；
（e）用单电极摩擦电线和双股商用纱线编织而成的能量纺织品；
（f）由纳米结构1D导电束纱和2D导电织物组成的TENG；
（g）双弧形完全可拉伸的针织结构织物TENG，由顶部和底部层上的PTFE和Ag针织结构织物组成，中间由Ag电极织物组成；
（h）由复合纱线织造而成的平纹结构可穿戴TENG。
图十三、基于3D纺织结构的织物基TENGs
（a）3D织物结构TENG由导电顶层、介电中间层和介电底层组成；
（b）基于3D间隔织物结构的TENG，其上下层分别由石墨烯和PTFE包覆的尼龙纱线组成。
（c）具有3D穿透结构的摩擦电纺织品，由顶部Ag涂覆的纤维、中间PET间隔纤维和底部排列的CNT片材制成；
（d）由不锈钢/PET混合经纱、PDMS涂覆的能量收获纬纱和厚度绑定纱线组成具有3D正交机织结构的TENG；
（e）通过3D打印方法制作的3D超柔性TENG；
（f）2D和3D织物结构之间的电输出性能的比较。
图十四、多层织物堆叠模式的基于织物的TENG（在SE或CS模式下工作）
（a）完全柔韧的可穿戴TENG由Ag涂层织物和PDMS覆盖的ZnO纳米棒生长的Ag涂覆织物堆叠而成；
（b）一种高度柔韧、透气、可裁剪、可清洗的发电织物，是通过将导电织物夹在两块PET织物之间设计而成；
（c）通过超疏水涂层实现的用于水能收获的可穿戴的全织物TENG；
（d）通过依次堆叠顶部介电织物，中间导电织物和底部防水织物制造的可清洗的皮肤触感驱动的基于纺织的TENG；
（e）丝网印刷的可清洗电子纺织品；
（f）用于自供电睡眠监测的大规模可清洗智能纺织品，通过在顶部和底部导电织物之间夹入波状结构PET薄膜设计而成；
（g）通过用缝纫机将PVDF纤维缝合到织物基底中制造的具有纺织图案的可穿戴摩擦电传感器；
（h）通过以面对面的方式组装两种具有相反表面电荷特性的不同布料制造的全纺织TENG。
图十五、基于织物的TENGs（在面内独立式摩擦电层模式下工作）
（a）可穿戴FT模式TENG在尼龙-Cu织物和PET-Cu织物之间起作用；
（b）交叉的光栅结构和滑动模式TENG织物，由共形的Ni涂覆的PET滑动织物和聚对二甲苯涂覆的Ni涂覆的PET织物组成；
（c）具有金纳米点图案阵列的以面内滑动模式设计的基于纺织的柔性TENG；
（d）基于FT模式织物的TENG在PI-PU交叉织物和PDMS-Al交替织物之间起作用；
（e）在交叉针织织物和层压复合织物之间形成的FT模式TENG；
（f）通过在手摇纺织机上编织棉线、碳线和PTFE线构建的FT模式电源TENG；
（g）基于滑动FT模式TENG的典型电输出特征。
图十六、由纳米纤维网络或纺织相关的膜结构设计而成的基于织物的TENGs
（a）基于多层纳米纤维的TENG由醋酸纤维素纳米纤维作为上层和聚醚砜/炭黑/聚苯乙烯纳米纤维作为下层组成而成；
（b）具有MXene/PVA复合纳米纤维和丝素蛋白作为一对摩擦电材料的全电纺TENG；
（c）基于分层纳米纤维素纤维的TENG通过将1D环保纤维素微纤维/纳米纤维开发成2D CMF/CNF/Ag分级纳米结构而呈现；
（d）一种自供电的具有拱形结构的基于纳米纤维的用于呼吸监测的摩擦电传感器具，其包括静电纺丝PVDF纳米纤维膜和丝网印刷的Ag纳米颗粒电极；
（e）基于波纹纺织结构的TENG，其顶部为波纹丝导电织物，底部为硅橡胶覆盖导电织物；
（f）通过在硅橡胶弹性体上固定拱形PEDOT：PSS功能化织物，实现高度可变化的应变传感器；
（g）通过将导电纱线网络嵌入硅橡胶弹性体中而构成的可拉伸纱线嵌入式TENG，以作为电子皮肤应用。
（h）将纳米结构PDMS涂覆在镀Ag织物上而获得的超柔韧的基于纺织TENG。
图十七、基于纤维/织物的压电和摩擦电混合纳米发电机
（a）PTHNG的三种典型配置。模式I：PENG和TENG共用一对电极；模式II：PENG和TENG共用一个公共电极；模式III：PENG和TENG独立运行；
（b）PENG和TENG的输出电压-时间曲线，在单个压力-释放循环中单独测量；
（c）基于两个全波桥式二极管电路的PTHNG并行连接电路；
（d）通过在导电织物上静电纺丝丝素蛋白和PVDF纳米纤维制备的全纳米纤维基PTHNG；
（e）基于全纳米纤维的PTHNG作为能量收集鞋垫，由夹在一对导电织物之间的静电纺丝PVDF纳米纤维组成；
（f）用于机械能量收集的高度灵活且大面积的基于织物的PTHNG；
（g）用于能量收集的基于纤维的PTHNG，用作为自供电压力传感器；
（h）一种自供电基于压电和摩擦电混合机制的棉袜用于医疗保健和运动监测。
图十八、人工智能（AI）中NGs的应用前景
图十九、纺织基NG的大规模工业化制造和商业化应用中的潜在困难和挑战
【总结与展望】
综上所述，作者对现代智能纺织品进行了简要的介绍，并对目前基于可穿戴纺织结构的纳米发电机进行了全面的介绍和详细的讨论。此外，为了对智能纺织品的设计提供指导，还对纺织品的基本分类、常用导电材料及其制备方法进行了详细的总结。NGs作为一种新型的机械能采集和多功能自供电传感技术，显示出强大的生命力和巨大的优势。NGs分类主要依据为：组成结构和工作机理。根据织物基NGs的制备方法，多层堆叠结构可分为二维织物、纳米纤维网络和与织物相关的膜堆叠结构。对每一种分类结构都进行了大量的论述，并给出了相应的讨论。基于纺织品的NGs在可穿戴电子和人工智能方面的潜在应用。
1）可穿戴电子：为人类生活提供沟通、互动、监控和感知等智能辅助。因此，有必要赋予可穿戴电子产品导电和信号传输功能。一方面，基于纺织品的NGs可以连续、方便、环保地有效获取人体运动能量，为可穿戴电子设备提供了一条可行的供电途径。另一方面，基于纺织品的NGs产生的电信号也可以作为人体或环境变化的重要观测指标。
2）人工智能：人工智能是由机器模拟人类的智能过程，旨在创造一种技术，使计算机和机器能够以智能的方式运行。基于纺织品的NGs的开发和应用必将促进人工智能的发展，为人工智能提供可行的实施途径和多种多样的沟通渠道。
尽管在纺织类NGs的理论研究和多方面的应用示范方面取得了很大的进展，但与实际的商业应用还存在很大的差距。本文还从服用性、稳定性、制造、功率输出、评价标准、目标市场等方面分析和探讨了纺织基NGs广泛应用中存在的潜在困难和挑战。虽然这些困难和挑战严重阻碍了基于可穿戴纤维/织物的NGs的发展进程，但其蓬勃发展和广泛应用是不可阻挡的时代潮流。相信随着科学技术的进步，当前纺织工业中存在的许多重大问题必将得到很好的解决。总之，基于纺织品的NGs极有可能成为未来日常穿着纺织品的主流。
文献链接：Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902549）
通讯作者简介
王中林院士是纳米能源研究领域的奠基人，首次发明了纳米发电机和自驱动纳米系统技术，被誉为“纳米发电机之父”。他发明压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，提出自驱动系统和蓝色能源的原创大概念，将纳米能源称为“新时代的能源”。这一应用于物联网、传感网络和大数据时代的新能源技术，开启了人类能源模式新篇章，为微纳电子系统发展和物联网、传感网络实现能源自给和自驱动提供了新途径。王中林院士是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人，这两大学科对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、LED技术的发展具有里程碑意义，目前国际学界对这两大学科已广泛接受和认可，于2018年获得纳米能源领域最高奖，有能源“诺贝尔奖”之称的埃尼奖，并于2019年获“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”，成为首位获这两项殊荣的华人科学家。
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(1) Dong K, Peng X, Wang Z L. Fiber/Fabric‐Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence. Advanced Materials, 2019: 1902549.
(2) Dong K, Deng J, Ding W, Wang Z L, et al. Versatile core-sheath yarn for sustainable biomechanical energy harvesting and real-time human-interactive sensing. Advanced Energy Materials, 2018, 8:201801114.
(3) Lai Y C, Deng J, Liu R, Wang Z L, et al. Actively Perceiving and Responsive Soft Robots Enabled by Self-Powered, Highly Extensible, and Highly Sensitive Triboelectric Proximity- and Pressure-Sensing Skins. Advanced Materials, 2018, 30(28):1801114.
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(5) Deng J, Kuang X, Liu R, Wang Z L, et al. Vitrimer Elastomer-Based Jigsaw Puzzle-Like Healable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Wearable Electronics. Advanced Materials, 2018, 30(14):1705918.
(6) Dong K, Wang Y-C, Deng J, Wang Z L, et al. A Highly Stretchable and Washable All-Yarn-Based Self-Charging Knitting Power Textile Composed of Fiber Triboelectric Nanogenerators and Supercapacitors. ACS Nano, 2017, 11(9): 9490-9499.
(7) Chen J, Huang Y, Zhang N, Wang Z L, et al. Micro-cable structured textile for simultaneously harvesting solar and mechanical energy. Nature Energy, 2016, 1(10):16138.
(8) Wen Z, Yeh M H, Guo H, Wang Z L, et al. Self-powered textile for wearable electronics by hybridizing fiber-shaped nanogenerators, solar cells, and supercapacitors. Science Advances, 2016, 2(10):e1600097.
(9) Pu X, Li L, Liu M, Wang Z L, et al. Wearable Self-Charging Power Textile Based on Flexible Yarn Supercapacitors and Fabric Nanogenerators. Advanced Materials, 2016, 28(1):98-105.
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