科學家研制出可同時采集光能和機械能的復合能源衣

　　隨著智能可穿戴設(shè)備的蓬勃發(fā)展，人們對輕便價廉的便攜式柔性可持續(xù)電源的需求日益凸顯。人們一直夢想實現(xiàn)一種可以織入衣物的能源技術(shù)，其可以收集光、風、人體運動等各種環(huán)境能量，并轉(zhuǎn)化為電能來給隨身穿戴的電子設(shè)備提供持續(xù)電能。在美國佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所教授王中林課題組與重慶大學副教授范興課題組的共同努力下，受到飛梭織布技術(shù)的啟發(fā)，突破了電極微納界面應力控制的技術(shù)難關(guān)，成功地將新型高分子纖維基太陽能電池與纖維摩擦納米發(fā)電機共同編織，形成了一種單層、輕質(zhì)、透氣、廉價的新型全固態(tài)智能可穿戴織物。該織物不僅可以采集太陽光能，還可以同時將人體運動導致的織物內(nèi)部纖維機械摩擦轉(zhuǎn)化成電能，從而驅(qū)動隨身電子設(shè)備不間斷地工作。

　　通過飛梭織布技術(shù)，可以在一張320微米厚的單層織物中，將太陽能織物模塊和納米發(fā)電機模塊按照不同的電氣輸出要求進行各種復雜的串并聯(lián)，并根據(jù)需求集成到人體衣物的不同部位。值得一提的是，通過太陽能模塊與納米發(fā)電機模塊的結(jié)合，該電源織物在幾百歐姆到兆歐姆的阻抗范圍內(nèi)，都可以實現(xiàn)較平穩(wěn)的功率輸出，從而極大提高了織物作為電源的適配能力。該工作中，還系統(tǒng)地研究考察了平紋、斜紋、緞紋、混合紋路等不同織物結(jié)構(gòu)對織物器件的電學輸出的影響。并通過與彩色絲線共紡，從而實現(xiàn)了不同顏色、不同外觀花紋的實用型能源織物?；谀茉纯椢铮幌盗械淖怨╇娨路?、窗簾、帳篷等日常生活中常用的布料物品都可實現(xiàn)自供電功能。實驗結(jié)果表明，一張長5厘米、寬4厘米的單層織物在戶外陽光以及機械運動的共同驅(qū)動下，不僅可以給電子表、手機等設(shè)備提供持續(xù)電能，還可以驅(qū)動電解水等電化學反應。此外，這種新型的飛梭織造技術(shù)非常利于大規(guī)模生產(chǎn)，進一步降低了織物的造價。由于該能源織物具有輕薄、柔軟、可穿戴、可折疊、透氣性好等優(yōu)良性質(zhì)，它將在穿戴電子、人體健康、能源、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應用發(fā)展前景。相關(guān)工作發(fā)表在最新一期的《自然-能源》 (Nature Energy 1, 16138, 2016, DOI 10.1038/NENERGY.2016.138)上。美國佐治亞理工學院博士陳俊(現(xiàn)為斯坦福大學博士后)與重慶大學黃藝為論文的共同第一作者。

　　新型全固態(tài)智能能源織物的結(jié)構(gòu)示意圖?；诳椢锝Y(jié)構(gòu)的(a)摩擦納米發(fā)電機 (b)纖維太陽能電池，及其局部結(jié)構(gòu)放大示意圖 (c) 和 (d) ；(e) 光電陽極的SEM圖片；(f) 能源織物的實物光學照片；(f) 示意圖展示。此種可穿戴的能源織物可以同時將人體運動的機械能和太陽能轉(zhuǎn)化成電能。