多種能量收集存儲(chǔ)為一體的自充電編織物研發(fā)成功

多種能量收集存儲(chǔ)為一體的自充電編織物研發(fā)成功

　　可穿戴電子器件，如電子皮膚、智能手表、運(yùn)動(dòng)手環(huán)等，已表現(xiàn)出替代傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的巨大潛力，但因器件體積有限，電池續(xù)航時(shí)間短，應(yīng)用受到限制。一種常規(guī)的策略是將輕便高效率發(fā)電模塊和高能量的存儲(chǔ)裝置做成織物，直接集成到可穿戴電子系統(tǒng)中，如基于纖維的光伏電池和電容器組成的自供電系統(tǒng)等。然而，光伏電池的工作狀態(tài)取決于天氣等外界條件，僅能在足夠的光照下工作，況且晝夜交替、霧霾嚴(yán)重，太陽(yáng)能的間歇性和不可預(yù)測(cè)性決定其并不總是可用的，如何利用不同的工作機(jī)制從環(huán)境中收集能量以替代和補(bǔ)償太陽(yáng)能不足部分的需求是迫切的。相比之下，2012年由中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院董事教授王中林提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)，可以從環(huán)境中收獲不同的機(jī)械能量。摩擦納米發(fā)電機(jī)主要是基于摩擦帶電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，其對(duì)于頻率低于5 Hz機(jī)械能，具有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不可擊敗的優(yōu)勢(shì)，非常適用于收集如波浪、潮汐、人體運(yùn)動(dòng)等常規(guī)方法難以收集的能量，由此提出一種從環(huán)境中同時(shí)收集多種類(lèi)型的能量的新策略，通過(guò)結(jié)合兩種不同發(fā)電單元同時(shí)收集太陽(yáng)能和機(jī)械能，并將其儲(chǔ)存，使得能量資源可以有效地互補(bǔ)利用。

　　針對(duì)上述想法，在王中林指導(dǎo)下，由文震、葉旻鑫和郭恒宇等組成的團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了一種基于纖維管狀的摩擦納米發(fā)電機(jī)、染料敏化太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器的多能量收集及存儲(chǔ)復(fù)合織物系統(tǒng)。其中，染料敏化太陽(yáng)能電池主要是利用EVA軟管作為基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，在Ti線上使用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備了TiO2納米管，在碳纖維上生長(zhǎng)了Pt作為對(duì)電極，注入電解液封裝后，即構(gòu)成了單根的纖維管狀染料敏化太陽(yáng)能電池，在標(biāo)準(zhǔn)光源條件下其短路電流密度、開(kāi)路電壓和填充因子分別為11.92 mA/cm2，0.74 V，和0.64，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5.64%；超級(jí)電容器主要也是利用EVA軟管作為基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，利用蒸汽熱法在碳纖維上制備了RuO2·xH2O，使用PVA/H3PO4作為電解液，在1,000μA的高電流密度下，比電容仍可保持在1.9 mF/cm，能量密度可達(dá)1.37 mJ/cm；摩擦納米發(fā)電機(jī)主要是基于染料敏化太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在EVA管表面鍍置電極和摩擦層材料，單對(duì)纖維管狀摩擦納米發(fā)電機(jī)在模擬接觸分離運(yùn)動(dòng)時(shí)可輸出12.6 V電壓和0.15 μA電流。單根的各類(lèi)器件均采用柔性結(jié)構(gòu)材料，并在不同彎曲角度均展現(xiàn)出較好的輸出性能，因此可將上述器件任意組合，編織成不同的形狀和樣式，并根據(jù)輸出性能進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)同時(shí)收集太陽(yáng)能和人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能并儲(chǔ)存于該織物的目的。

　　該可持續(xù)供電織物具有非常高的能量收集效率，可輕易驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的電子設(shè)備，如發(fā)光二極管、數(shù)字手表和各種傳感器等，相信通過(guò)后續(xù)的不斷改進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)范制造，在不久的將來(lái)，可以輕松地利用該新型自供電紡織物為更大功率的可穿戴電子設(shè)備直接充電。相關(guān)工作近日以Self-Powered Textile by Hybridizing All Fiber-Shaped Triboelectric Nanogenerator-Solar Cell-Supercapacitor for Wearable Electronics 為題發(fā)表于最新一期的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊。