納米能源所研制出三維正交編織摩擦納米發(fā)電織物

　　自充電可持續(xù)供能的摩擦納米發(fā)電機（TENG）是一類新興的能量收集器件，依據(jù)接觸起電和靜電感應的耦合作用原理，TENG能夠將機械能轉化為電能。TENG的低廉、高效、環(huán)保的特征和普遍適用性使其在小規(guī)模的機械能收集和大規(guī)模的能源發(fā)電方面都具有廣闊的發(fā)展前景；更重要的是，TENG在低頻和無規(guī)則機械能（如人類運動能、風能、水波能、振動能等）收集方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

　　TENG與傳統(tǒng)的編織技術的結合使自供電的智能織物成為可能，然而目前自供電織物的發(fā)展仍舊面臨著許多嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)的2D TENG織物收集能量的功率過低而不足以驅動大部分可穿戴電子器件；其次，多數(shù)纖維電極或織態(tài)電極的制備過程具有復雜耗時、造價過高、不環(huán)保的缺點，并且基于這些電極的電子織物基本無法實現(xiàn)水洗；最后，大部分TENG織物依賴外界載體或表面獲得摩擦電能，這限制了TENG織物的應用領域。因此，發(fā)展高輸出功率、多功能、可穿戴TENG織物十分必要。

　　近日，在中國科學院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學家王中林的指導下，博士生董凱、鄧佳楠、博士后訾云龍等研究人員通過結合不銹鋼/聚酯混紡紗線、PDMS包覆的能量收集紗線和絕緣結合紗線，成功研制出了高輸出功率的三維正交編織TENG（3DOW-TENG）織物。此3DOW-TENG織物在擊打頻率為3Hz時，最大輸出功率高達263.36mW m-2，遠高于傳統(tǒng)二維TENG織物。此外，自供電的3DOW-TENG織物在生物機械能量收集和運動信號追蹤方面性能優(yōu)異。此研究工作也為多功能自供電織物在可穿戴電子、住宅安保與健康監(jiān)護等領域的應用提供了新方向。相關研究成果發(fā)表在Adv. Mater.上。

　　研究人員制備了高輸出功率且穩(wěn)定耐用的3DOW-TENG，經過結構類型和電路連接模式的優(yōu)化，在雙電極模式下，絕緣Z-紗線捆綁成型的3DOW-TENG表現(xiàn)出最佳電學性能。三維正交的結構設計為不銹鋼/聚酯混合導電紗線提供了足夠的接觸-分離空間；PDMS包覆的能量收集混紡紗線在擊打頻率為3Hz時其最高功率密度高達263.36mW m-2。此可穿戴3DOW-TENG在生物能量收集和自供能傳感等領域有廣泛的應用空間，如供能警示燈/電容器/智能手表、運動信號追蹤、自供電跳舞毯；自充電3DOW-TENG智能織物在未來住宅安保、智能解鎖等方面也有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　?。╝）大面積可穿戴3DOW-TENG織物實物圖；（b）拉伸、折疊、卷曲機械形變狀態(tài)下的3DOW-TENG；（c）3DOW-TENG在拍打（左圖）或踩踏（右圖）情況下點亮了組成“3DTX TENG”圖樣的71個LED燈；（d）自供電3DOW-TENG用于可穿戴夜間警示燈展示圖，自充電3DOW-TENG織物穿戴在小臂上，點亮了組成“STOP”字樣的16個LED燈；（e）3DOW-TENG在擊打情況下對商業(yè)電容器（0.68 μF）的充電性能展示圖；（f）3DOW-TENG在拍打情況下對智能手表連續(xù)供電；（g）不同運動狀態(tài)下，自供電3DOW-TENG輸出的開路電壓；（h）自供電3DOW-TENG跳舞毯示意圖；（i，j）拍打（左）和踩踏（右）下工作的跳舞毯。