王中林院士等人 ACS Nano 报道：基于混合纳米微摩擦电纱线（SETY）的器件用于能量收集和信号传感

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背景介绍

众所周知，服装是人类用来保护身体和装饰的纺织产品。然而，传统的衣服功能（保温和装饰）已不能满足当今智能可穿戴电子设备的需求。由于传统的传感器和能量装置体积大而难以集成到纺织品中，使得可穿戴电子纺织品（E-textiles）受到极大的关注。然而，目前所有这些柔性设备都存在需要频繁且不便的充电等问题。摩擦电纳米发电机（TENG）是一种自给自足的动力装置，能以可持续和连续的方式将机械运动转化为电能。因此，TENG纺织品的出现是能源领域的重大突破，为智能穿戴领域的发展提供了更多可能性。但开发能量收集纺织品必须克服以下挑战：（1）TENG的大规模生产技术仍不成熟；（2）现有的纤维状或纱线状的TENG通常直径大、长度短并且细度不均匀；（3）TENG纺织品的柔性度有待加强。虽然先前报道了纤维形或纱线形的TENG，但是很少关注与纺织技术的相容性以及对人体的舒适性。

成果简介

基于此，中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士、厦门大学的郭文熹教授和东华大学的汪军教授（共同通讯作者）联合报道了利用轻便且连续的静电纺丝技术制备了一种具有螺旋状混合纳米微核-壳纤维束的超轻单电极摩擦电纱（SETY）。对比常规制造技术制备的SETY器件，利用该技术制备的SETY器件具有超轻度（0.33 mg cm^-1）、额外的柔软性和更小的尺寸（直径350.66 μm）。基于这种纺织品的TENG，通过施加5 N、2.5 Hz机械驱动力就可以实现高性能的能量收集（40.8 V，0.705 μA cm^-2和9.513 nC cm^-2）。更重要的是，摩擦电纱线不仅可以根据不同的电子亲和能，以及摩擦电纱线与传统的纺织技术兼容编织成高密度的平纹织物，以收集生物机械能，而且还可以监视来自人或昆虫的微弱信号。研究成果以题为“Continuous and Scalable Manufacture of Hybridized Nano-Micro Triboelectric Yarns for Energy Harvesting and Signal Sensing”发布在国际著名期刊ACS Nano上。

图文解读

图一、纳米微纤维杂化SETY的制备工艺步骤和图像

（a）SETY制造过程的示意图；

（b）柔性的SETY；

（c）长度为25 cm的SETY（整个设备）的重量仅为0.00833 g；

（d-e）不同尺寸的SETY表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图二、表征SETY的细度和柔软度

（a-c）SETY纱线与手指和头发的视觉细度对比；

（d-e）纳米纤维织物和涂膜的柔韧性对比；

（f-g）涂膜和纳米纤维织物的拉伸机械性能和杨氏模量；

（h-i）经过多次大角度弯曲后，纳米纤维织物包裹的纱线和具有相同材料的包覆核壳纱线的物理照片。

图三、表征SETY的电气化材料性能

（a）SETY的带电材料的FTIR光谱；

（b）PAN＆PVDF=1: 3纳米纤维织物的平均纤维直径；

（c-f）包裹在导电纱周围的纳米纤维织物的放大SEM图像；

（g-i）SETY的短路电流、开路电压和短路充电量。

图四、SETY的工作原理和基本性能

（a-b）SETY的示意图；

（c-d）SETY横截面的SEM图像；

（e）SETY的作用原理；

（f）利用COMSOL软件对SETY在不同状态下的电位分布进行数值计算；

（g）在不同频率下测得的SETY的短路电流、开路电压和短路电荷量；

（h）在1 Hz固定频率和外部负载电阻在200 KΩ-10 GΩ之间下测得的SETY的电流和功率变化。

图五、SETY用于多功能检查和能量收集

（a）用于织物成分检查的SETY的示意图；

（b）六种不同的织物样品；

（c-d）六个不同织物样品的开路电压和短路电流检查信号；

（e）通过改变触摸指尖的数量，从不同的手指接触区域产生的不同的电子信号；

（f）利用智能SETY进行摩尔斯电码编译；

（g）指尖上植入五个压力传感器的手套的照片；

（h）响应五个不同手指动作的五个SETY的实时电压信号；

（i-l）毛虫爬行识别即在爬行过程中脚或腹部与SETY的接触。

图六、用于生物力学传感的智能纺织品

（a-b）8×8像素传感结构的示意图和图像;

（c, e, g）手指轻轻压在织物上的8×8像素感应织物照片；

（d, f, h-i）手指轻轻压在织物上的相应电压信号和3D输出信号；

（j-k）由SETY制造的相对高密度的平纹织物；

（l-m）测量两种不同昆虫标本接触的织物的灵敏度。

总结

综上所述，作者通过一种方便且连续的静电纺丝技术制成了平均直径为350.66 μm的超轻纳米微杂化核-壳结构的纱线（SETY）。其中，SETY产生高输出：在施加2.5 Hz机械驱动器时，输出为40.8 V、0.705 μA cm^-2和9.513 nC cm^-2。同时，纱线可用于识别常见的织物成分。此外，纱线具有足够的柔韧性，可用于人机界面的能量收集或监测人体运动的信号。更重要的是，利用摩擦电纱线编织的平纹织物可以收集生物机械能并监视来自人或昆虫的微弱信号。总之，通过纺织品的不同编织方法，纱线可以发展为多功能可穿戴电子纺织品，在智能纺织品的批量生产中具有潜在的应用价值。

文献链接：Continuous and Scalable Manufacture of Hybridized Nano-Micro Triboelectric Yarns for Energy Harvesting and Signal Sensing（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00524）

本文由CQR编译。

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