Nat. Commun.王中林院士团队：用于穿戴设备的可水洗柔性纳米发电机

【引言】

近年来，可穿戴电子产品如智能织物、健康/运动监测产品等发展迅速并受到越来越多的关注。从实际应用和审美的角度来说，要求可穿戴设备及其供能模块具有体积小、重量轻、灵活性好和可清洗等特点。尽管电子产品的功耗需求逐渐降低、电池能量密度逐渐提高，但当前的可穿戴设备仍主要采用传统刚性锂电池而不具备自充电功能，由此带来了电池的频繁充电、更换等一系列问题。

【成果简介】

针对上述问题，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）等提出了一种兼具可穿戴、可水洗和高输出特性等优点的自供能系统。该系统可直接收集人体的各种运动能并且能够持续不断地为可穿戴电子设备提供能量。

该系统功能的实现得益于其所研发的具有高能量收集效率的可穿戴摩擦纳米发电机（TENG）。上述TENG主要由两部分组成，一是由介电层及其外电极形成的空心管；二是带状式的内电极，它与空心管的内壁直接相连并沿管轴线方向呈螺旋状结构。该TENG兼具柔性、弹性、可编织、可水洗、高稳定性及低成本等优点，同时表现出优异的发电性能，可以将压、拉、弯等动作所产生的能量有效地转化为电能。他们将上述TENG与超级电容器/电池组成自充电系统，并将系统安装在鞋底、编织在衣服上直接采集人体运动机械能，持续不断的驱动各种可穿戴电子设备，如电子手表和健身跟踪器等，同时额外的能量可储存于超级电容器或者电池中，以备人体休息时可继续驱动可穿戴电子设备。

【图文导读】

图1 TENG概述

a）TENG被安装在鞋底、编织在衣服上以驱动电子表和健身跟踪器等可穿戴电子设备；
b）直径为2~3mm的TENG管被织入衣服中；
c）TENG管被安装在鞋底；
d）TENG结构图；
e）摩擦起电电极SEM图像；
f）插图为炭黑/碳纳米管混合物的SEM图像，是内、外电极的导电成分。

图2 TENG工作机理及输出特性

a）TENG工作机理；
b）该TENG 与先前TENG 的输出电荷密度（σsc）比较。左上角和右下角插图分别表示基于液态-金属的摩擦纳米发电机（LM-TENG）和基于角状聚吡咯的摩擦纳米发电机（hPPy-TENG）；
c、d）螺旋带结构TENG和直形结构TENG的不同方向示意图；
e）螺旋带结构TENG和直形结构TENG的输出电荷密度（σsc）；
f、g）电极宽度d=5mm时的示意图、输出电荷（Qsc）及输出电荷密度（σsc）；
h、i）电极与水平方向夹角为45°时的示意图、输出电荷（Qsc）及输出电荷密度（σsc）；
j、k）d= D×sinθ时的示意图、输出电荷（Qsc）及输出电荷密度（σsc），其中D为管被压下时的宽度。

图3 不同运动时TENG的电量输出

a）不同按压频率时TENG的电荷密度（σsc）；
b）不同按压频率时TENG的开路电压（VOC）；
c）不同按压频率时TENG的短路电流（ISC）；
d、e）弯曲时，TENG工作机理及电荷密度（σsc）；
f、g）扭转时，TENG工作机理及电荷密度（σsc）；
h、i）拉长时，TENG工作机理及电荷密度（σsc）。

图4 TENG在应急响应和天气指示的应用

a）TENG在水中清洗前后的电荷密度（σsc）。左侧插图表示TENG被放入水中，左侧插图表示按压在水中清洗后的TENG可点亮32盏LED；
b、c）通过按压织入在背心上TENG，可点亮背心上的LED警示标志：小心、通过和停止；
c）由TENG和超级电容器（SC）/锂电池（LIB）组成自充电系统的电路图
d、e）弯曲时，TENG工作机理及电荷密度（σsc）；
e）手动按压两个TENG管时的超级电容器（SC）充电曲线；
f）手动按压五个TENG管可驱动一个温湿度计。

图5 步行或慢跑期间可持续驱动可穿戴设备

a）“能量鞋”；b）“能量鞋底”；c）电子表被驱动；
d）步行时，自充电系统中的锂电池（LIB）通过能量鞋底同步充电；
e）健身跟踪器被驱动；
f）慢跑时，自充电系统中的锂电池（LIB）通过能量鞋同步充电。

文献链接：Sustainably powering wearable electronics solely by biomechanical energy（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12744）

本文由中国科学院北京纳米能源与系统研究所供稿，材料人编辑李小依编辑整理。

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