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重庆大学Nano Energy:基于传统编织工艺的一片式自充电能源织物用于可穿戴式电子设备供电

重庆大学Nano Energy:基于传统编织工艺的一片式自充电能源织物用于可穿戴式电子设备供电

【本文亮点】

  • 利用传统的织造工艺,研究人员提出了一种收集人体运动的能量,并将其转化为电能,具有稳定输出和大规模生产特点的自充电能源织物。

  • 通过交替使用不同的线材,可以在织造过程中得到各种工作模式的摩擦纳米发电机,用于机械能量收集。

  • 利用同一纺织技术,作为能量存储的超级电容器在纺织的过程中形成,棉线作为其稳定的电极隔离层,具有出色的机械耐久性。           

重庆大学Nano Energy:基于传统编织工艺的一片式自充电能源织物用于可穿戴式电子设备供电

图形概要:结合织物摩擦纳米发电机和编织超级电容器,设计了可同时收集和存储人体运动能量的一片式自充电能源织物,并用于可穿戴式电子设备持续供电。此工作为大规模生产耐用的自充电能源织物提供了一个简单易行的方法。 

 

【引言】

电子纺织是将多功能电子产品融入时尚服装中,为进一步发展可穿戴电子产品提供新思路。目前,各种电子产品已经应用到智能织物中,包括电路,开关以及温度,应变,压力等各种传感器和医学诊断等。电源是实现这种多功能电子纺织品的基础和核心。然而,为纺织品供电的传统庞大电池缺乏灵活性,舒适性,轻便性和免维护性。摩擦纳米发电机(TENG)已被证明是收集低频人体运动能量的最有效技术。此外,由于其具有结构简单,材料选择范围广,成本低廉等特点,这使得摩擦纳米发电机易于设计成纺织器件。

超级电容器(SCs)的功率密度高,循环寿命稳定,安全性好,在集成到柔性衣物中具有广阔的前景。然而,通过将两个纱线/纤维与隔离物平行缠绕形成的固态SC,然后再缝合到织物上,但是在长时间弯曲,拉伸和折叠中,固态SC的纱线间隔离层破损,活性物质脱落,使得其稳定性极具降低。因此,在纺织的过程中来构建坚固电极结构,轻质,柔性的电容器是解决上述纤维SC中存在的问题的理性途径。所以,将FTENG和W-SC整合到一片织物中对于电子纺织品的发展具有重大意义。

 

【成果简介】

近日,重庆大学Chenguo Hu教授和中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所 Hengyu Guo教授课题组(共同通讯作者)在国际能源期刊 Nano Energy 上成功发表“TraditionalWeaving Craft for One-Piece Self-Charging Power Textile for WearableElectronics”的论文。论文第一作者Jie Chen。在这项工作中,研究者提出了一种由织物TENG和编织超级电容器(W-SC)组成的新型自充电能源织物,用于同时收集和储存人体运动能量。利用传统的编织工艺,这种一片式的自充电能源织物可以通过交替编织不同的纺织线而成对于能量产生部分,通过在手摇纺织机上编织棉线,碳纤维和聚四氟乙烯线,成功地在一片织物上构建了接触分离模式,独立模式和其他各种图案化的TENG。并系统研究了影响TENG输出性能的几个关键参数(工作频率,PTFE线径和碳纤维间距)。对于能量存储部分,利用沉积了RuO2的碳纤维和棉线制造纤维SC。与以前的工作相比,在纺织过程中形成的W-SC在两个纤维电极间有稳定的棉线隔离层,因此,在机械性变下,W-SC具有极高的稳定性。而且,集成在一片SCPT中的两个部件是由同种纺织工艺制得,非常便于大规模工业生产。最后,并展示了该SCPT如何从人类的日常活动中收集能量来给电子表供能。这项工作为高耐用性SCPT的大规模生产提供了一种简便有效的途径,这将促进可穿戴电子产品的进一步发展。

 

【全文解析】

 

重庆大学Nano Energy:基于传统编织工艺的一片式自充电能源织物用于可穿戴式电子设备供电

图1 机械自充电能源纺织品(SCPT)的结构设计。a)独立式的织物摩擦电纳米发电机(FS-FTENG)的示意图。b)SEM图像显示FS-FTENG电极结构。c)FS-FTENG的电极和电介质织物的照片;插图显示了碳丝编织电极的电导率。d)编织超级电容器(W-SC)的示意图。e)作为W-SC电极的沉积有RuO2的碳纤维的SEM;插图是纯碳纤维的SEM。 f)单个W-SC的照片。

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 图2 接触分离模式织物TENG(CS-FTENG)的输出性能。 a)右:CS-FTENG的工作原理图示,左:相应的电势分布,由COMSOL软件仿真。b)实时测量输出电压和电流对不同工作频率(1 Hz-5 Hz)的响应。c)在连续的手掌拍动下,使用CS-FTENG(6厘米×5厘米)来点亮18个商用蓝色LED的照片。d)电介质织物的编织结构图示(左侧)和数码照片(右侧)。e)CS-FTENG的开路电压和转移电荷量与PTFE线直径的关系(3cm×3cm);插图是不同PTFE线直径的电介质织物照片。f)CS-FTENG的开路电压和转移电荷输出与碳导线间隔的关系(3cm×3cm);插图是不同间隔距离的电介质织物照片。

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图3. 独立模式的织物TENG(FS-FTENG)的输出性能。a)右:FS-FTENG 的工作原理图,左:相对应的电势分布图,由COMSOL软件模拟。b)实时测量Voc,Isc和Qsc对不同施加速度(5cm/s-2 cm/s)的响应。c)左: FS-FTENG的纺织栅极结构示意图,右:分别是电极和滑动织物的照片。d)在连续的摩擦运动中,使用FS-FTENG(8 cm×6 cm)点亮18个商用蓝色LED的照片。

 

重庆大学Nano Energy:基于传统编织工艺的一片式自充电能源织物用于可穿戴式电子设备供电

 

图4.编织超级电容器(W-SC)用于储能的性能。a)单个W-SC单元在不同扫描速率下的CV曲线。b)不同电流W-SC的恒电流充电/放电(GCD)曲线。c)W-SC在180°弯曲1000次的CV曲线。d)并联集成的W-SC示意图,e)并联集成的W-SC在50 mV/s扫描速率下测量的CV曲线。f)串联集成的W-SC示意图,g)串联集成的W-SC在50mV/s扫描速率下测量的CV曲线。h)制作的大面积W-SC织物的照片。i)使用集成W-SC(4个单元串联)点亮3个商用蓝色LED的照片。

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图5.自充电能源纺织品(SCPT)在可穿戴电子产品中的应用。(a)在跑动过程中,通过摆臂持续驱动电子手表。(b)在直线电机的驱动下,在缓慢,中速和快速速度下测量FS-FTENG(12 cm×8 cm)的电荷积累。插图显示了在中等速度下电荷积累的放大视图。(c)在1.5Hz工作频率下,SCPT的V-t曲线。插图中显示了由FS-FTENG(12 cm×8 cm)和W-SC(四个串联单元,长度为4 cm)集成的SCPT电路图。(d)在各种操作模式下,例如,充电模式,放电模式和可持续模式下,连接到电子手表的SCPT的V-t曲线放大图。

 

该工作得到国家自然科学基金重点项目(51572040,51772036),重庆大学研究生创新项目(CYB17044)和重庆市自然科学基金委NSFCQ(cstc2015jcyjA20020,cstc2017jcyjAX0307),基础支持中央高校科研经费(2018CDQYWL0046)。

Jie Chen, Hengyu Guo, Xianjie Pu, Xue Wang, Yi Xi, Chenguo Hu, Traditional Weaving Craft for One-Piece Self-Charging Power Textile for Wearable Electronics, Nano Energy, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.06.009

 

通讯作者介绍:

胡陈果教授,博士生导师,国务院特殊津贴专家, Nano Energy副主编,Nano-Micro Letters 编委,材料物理重庆市高校重点实验室主任。博士毕业于重庆大学,曾在美国佐治亚理工学院访学1年。主要从事低维功能材料制备和纳米器件设计及应用等方面的研究,特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新的工作。共发表SCI 论文240 多篇,被引用5800 多次 (Web of Science),其中,以第一作者或通讯作者发表SCI论文200 多篇,分别发表在Science Advances(Science子刊), Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy 等著名学术杂志上,ESI 高被引论文8篇,H-因子38。主持国家自然科学基金5项,省部级基金4项,863子课题1项。申请发明专利18 项,获授权16 项,获省部级自然科学二等奖1项,获得2017年中国产学研合作创新成果优秀奖。http://phys.cqu.edu.cn/info/1034/1304.htm

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