劉津池 于淼 王俠

摘 要：智能可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展對供能系統(tǒng)適用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等提出了更高的要求。因體積大、不耐久、非柔性、不易集成于織物、綜合成本高昂，并且單位儲能能力有限、電容充電不便，所以現(xiàn)有的原電池、二次電池、燃料電池、儲能電池等“化學(xué)能-電能”裝置，無法滿足智能可穿戴設(shè)備對能源供給系統(tǒng)的要求。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）可以將環(huán)境中低頻機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，且擁有能源供應(yīng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好、適用性強(qiáng)、清潔環(huán)保等優(yōu)勢。將摩擦納米發(fā)電機(jī)集成到紡織品上，持續(xù)、穩(wěn)定提供電能是解決目前織物基智能可穿戴領(lǐng)域供能問題的重要途徑?？偨Y(jié)了摩擦納米發(fā)電機(jī)相比較于傳統(tǒng)電池的應(yīng)用優(yōu)勢，介紹了摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本工作原理和理論模型，概述了提高摩擦發(fā)電性能的方法，詳述了其在織物上材料集成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，列舉了其集成在紡織品及其他方面上的應(yīng)用。討論了目前摩擦納米發(fā)電機(jī)在織物基智能可穿戴研究中存在的問題，展望了恒流摩擦納米發(fā)電機(jī)等未來研究方向。

關(guān)鍵詞：摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）;智能可穿戴;可持續(xù)能源;織物基

Abstract：With the rapid development of intelligent wearable technology， higher requirements are proposed for the applicability， economical efficiency and environmental protection of energy supply system. Due to the problems of large volume， poor durability， non-flexibility， difficulty in integrating into fabrics， high cost as well as limited unit energy storage capacity and inconvenience of capacitor charging， existing “chemical energy - electric energy”devices such as primary batteries， secondary batteries， fuel cells， energy storage batteries cannot meet the requirements of intelligent wearable devices for the energy supply system. Triboelectric nanogenerators （TENG） can convert low and medium-frequency mechanical energy into electric energy， with the advantages of stable energy supply， good economical efficiency， strong applicability， cleanness and environmental protection， etc. Integrating the TENG into textiles to provide sustainable and stable electric energy is an important way to solve energy supply problem of fabric-based intelligent wearable devices. This paper summarizes the advantages of TENG，compared with the traditional battery， introduces the basic working principle and theoretical models of TENG， outlines the methods to improve triboelectric performance， describes material integration and structural design methods， and lists TENG application in textile and other aspects. Meanwhile， this paper discusses the problems of TENG in fabric-based intelligent wearable research and expects the future research direction of constant-currentTENG.

Key words：triboelectric nanogenerators （TENG）; intelligent wearable technology; sustainable energy; fabric based

織物基智能可穿戴設(shè)備作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代微智造在紡織服裝領(lǐng)域結(jié)合的產(chǎn)物，對電能供給系統(tǒng)提出了體積更小、耐久更長、柔性易集成、綜合成本低、清潔環(huán)保等要求。常規(guī)電池通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)將活性材料內(nèi)儲存的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，供能穩(wěn)定、便捷，能量轉(zhuǎn)換效率高。但是傳統(tǒng)電池在電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中仍存在諸多缺陷和不足：常規(guī)電池的非柔性狀態(tài)和尺寸公差會降低系統(tǒng)便攜程度、縮小其適用范圍;電壓過低等非常規(guī)電池行為及電池泄漏、膨脹等高危失效情景會降低其安全系數(shù);充電或更換電池導(dǎo)致的高維護(hù)成本;停電或野外等情況下無法重復(fù)充電;廢棄電池處理代價(jià)高昂、環(huán)境污染嚴(yán)重等。太陽能電池受晝夜和天氣狀況影響大，在很多具體的環(huán)境和工作條件下也無法滿足織物基智能可穿戴設(shè)備的常規(guī)需求[1]。而摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerators， TENG）無需外界能源補(bǔ)充，可以通過摩擦等低頻機(jī)械能實(shí)現(xiàn)持續(xù)自供能，從而實(shí)現(xiàn)較高的適用性。打字1 min可產(chǎn)生0.3～1.44 J能量，正常身材男子跑步1 min可以產(chǎn)生300～510 J能量，而智能手機(jī)一天消耗的電能約為60 J，所以采集人體日常運(yùn)動的機(jī)械能可以滿足絕大部分智能設(shè)備的能源供給[2]。從人體和周圍環(huán)境中獲取低頻機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為持續(xù)穩(wěn)定能源，且維護(hù)成本低、柔性易集成的摩擦納米發(fā)電機(jī)，是一種可靠的替代能源供給選擇。

由于智能可穿戴設(shè)備直接或間接與人體接觸，為避免電流對人體造成傷害，所以該電能供給系統(tǒng)電壓不宜過高，功率不宜過大。智能可穿戴設(shè)備一般體積較小，以便集成在服裝或直接穿戴在身上。因此智能可穿戴設(shè)備的供電組應(yīng)當(dāng)確保集成程度較高，且有相當(dāng)好的柔性，對人體的舒適性和運(yùn)動性能影響小。服裝穿著過程中不可避免發(fā)生撕扯和拉伸，并且經(jīng)常需要洗滌，所以智能可穿戴設(shè)備供電組件需要有一定耐久度。最后，較低的使用成本也是 很重要的。

摩擦納米發(fā)電機(jī)根本原理是利用機(jī)械界面接觸產(chǎn)生的極化場來驅(qū)動電子流動，從而輸出電流。本研究圍繞織物基智能可穿戴設(shè)備供能需求，首先介紹了摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本工作原理和理論模型，概述了摩擦電材料與電極材料選擇主要原則，及一些提高摩擦發(fā)電性能的方法，詳述了其在織物上材料集成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要方式，列舉了其集成在紡織品及其他方面上的應(yīng)用。討論了目前摩擦納米發(fā)電機(jī)在織物基智能可穿戴研究中存在的問題，展望了其未來研究方向。

1 摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理與理論模型

1.1 工作原理

利用摩擦電效應(yīng)和靜電感應(yīng)將兩種電子親緣不同的材料摩擦接觸時(shí)產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)兩種材料在外力作用下發(fā)生接觸時(shí)，由于電子結(jié)構(gòu)不同，電子會在接觸界面發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而在兩表面電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢差，使電負(fù)性不同的材料表面帶有等量正負(fù)靜電荷，其中電子親和力較高的材料表面帶負(fù)電荷，另一個(gè)表面帶正電荷[3]。當(dāng)電極短路或通過負(fù)載聯(lián)結(jié)時(shí)，為維持電極之間的靜電平衡，感應(yīng)電勢差驅(qū)動自由電子從帶負(fù)電荷的一側(cè)流出，從而產(chǎn)生電輸出。當(dāng)帶電表面被外界機(jī)械能驅(qū)動與電極之間周期性產(chǎn)生相對位移時(shí)，兩電極之間的感應(yīng)電位差會發(fā)生周期性變化。因此當(dāng)系統(tǒng)被周期性施加作用力時(shí)，兩個(gè)背電極間會有電流來回流動，從而實(shí)現(xiàn)“機(jī)械能—電能”的轉(zhuǎn)換。

1.2 4種理論模型

根據(jù)摩擦電材料、電極的結(jié)構(gòu)及它們相對運(yùn)動方式的不同，摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本工作模型可以分為垂直接觸分離模式、水平滑動模式、單電極模式、獨(dú)立層模式，如圖1所示。

1.2.1 垂直接觸分離模式

在垂直接觸分離模式下工作的摩擦納米發(fā)電機(jī)中，兩種不同的摩擦電材料相互面對、并因外力作用造成接觸摩擦，由于兩種摩擦材料電荷極性不同，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，使得各自表面帶有不同的摩擦電負(fù)性，此時(shí)電極在兩摩擦電材料背面，因而產(chǎn)生電場，造成電勢差。正極表面附近電勢大于靠近負(fù)極表面附近電勢，自由電子從低電勢電極流向高電勢電極，從而消除電位差，實(shí)現(xiàn)電勢平衡。當(dāng)摩擦材料作回歸原位的運(yùn)動時(shí)，電子回流，在外電路形成反向回流電流。電流輸出可表示為[3]：

因?yàn)槿祟愡\(yùn)動的本質(zhì)和重現(xiàn)的簡單性，多數(shù)摩擦納米發(fā)電機(jī)運(yùn)用這一工作原理，常見包括拱橋型、彈簧型[5-6]。例如，垂直接觸分離模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成多層織物或紗線等形式，集成在鞋墊內(nèi)部從人類行走的步態(tài)中獲取能量，也可以嵌入織物內(nèi)部通過擠壓或拉伸織物來產(chǎn)生能量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供電。

1.2.2 水平滑動模式

在水平滑動模式下工作的摩擦納米發(fā)電機(jī)兩種不同的摩擦材料完全重合，因外力作用發(fā)生摩擦，使二者表面帶有不同摩擦電負(fù)性。一旦二者出現(xiàn)非重疊的部分，這一部分的表面就會出現(xiàn)電勢差，并因此產(chǎn)生外電流，當(dāng)整個(gè)器件做回復(fù)原位的摩擦?xí)r，在外電路產(chǎn)生反向電流，即電流輸出由摩擦電材料之間周期性滑動實(shí)現(xiàn)[7]。這一摩擦納米發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)模式可以從平面滑動、軸心旋轉(zhuǎn)等多種途徑獲取機(jī)械能，可用性較大。且該模式下摩擦更大，供能效率更高。但摩擦力越大導(dǎo)致材料磨損越快，使得系統(tǒng)使用壽命較短?；瑒酉噍^于接觸摩擦等所需作用空間更大，故系統(tǒng)體積較其他模式大。

1.2.3 單電極模式

單電極模式只需要一個(gè)電極與摩擦層直接作用，摩擦電材料不需要附著外部電負(fù)載。當(dāng)摩擦發(fā)生之后，若造成摩擦的二者處于分離過程中，則產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移;當(dāng)二者重新接觸，則電荷經(jīng)由底部電極轉(zhuǎn)移以平衡電勢分布，使電子在電極之間流動[8]，重復(fù)該動作模式，即可輸出交流電。這一模式中介質(zhì)不需要電連接或電極，并且可以實(shí)現(xiàn)無障礙自由移動，最宜用于收集作用方向與方式具有隨意性的外接機(jī)械能，在實(shí)際使用中限制條件最少。一般可以與垂直接觸分離模式、水平滑動模式結(jié)合應(yīng)用，但因電勢變化均發(fā)生于一個(gè)電極上，所以該模式輸出功率低于其他模式。并且電極與介質(zhì)材料過于接近時(shí)，電場被主電極屏蔽會導(dǎo)致電容減小，輸出功率進(jìn)一步下降。

1.2.4 獨(dú)立層模式

獨(dú)立層模式中摩擦層是獨(dú)立的，不與電極接觸。通過靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電勢差驅(qū)使電子流動。與單電極模式相比，獨(dú)立層模式兩個(gè)電極都有電位變化，沒有屏蔽效應(yīng)，因此輸出性能更好。由于摩擦層不直接與電極發(fā)生接觸，因此該模式能源轉(zhuǎn)換效率高、輸出性能穩(wěn)定、器件使用壽命長。可與接觸分離模式結(jié)合，收集人步行和汽車行駛的能量。

每一種摩擦納米發(fā)電機(jī)理論模型有優(yōu)勢，亦有短板?？偨Y(jié)如表1。

在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)使用場景結(jié)合多種理論模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)化摩擦納米發(fā)電機(jī)模型。

2 性能提升策略

摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出功率大小與表面電荷密度、結(jié)構(gòu)尺寸、界面結(jié)構(gòu)周期數(shù)以及相對運(yùn)動速度等呈正比[3]。材料本征屬性是表面電荷密度的主要決定因素，直接影響了系統(tǒng)電輸出性能。該部分從摩擦材料種類、摩擦表面的圖案化微結(jié)構(gòu)、摩擦表面納米復(fù)合結(jié)構(gòu)等3個(gè)材料本征屬性角度分析表面電荷密度決定因素。

2.1 基于摩擦電序表的摩擦材料選擇

摩擦電荷密度可以通過摩擦材料選擇、表面修飾和改性提升。不同材料電荷屬性不一致，用于摩擦納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)時(shí)也會造成不同的摩擦電密度。摩擦所產(chǎn)生電荷的極性和大小對摩擦材料的成分、摩擦材料間的離合過程和周圍的環(huán)境條件極敏感[9]。并且單一結(jié)構(gòu)層器件不會產(chǎn)生電力輸出，因此系統(tǒng)中摩擦電材料至少應(yīng)當(dāng)包含兩種不同摩擦電屬性的材料[10-11]。如圖2所示，排名越靠前的材料越容易失去電子，排名越靠后的材料越容易得到電子[12]。一般根據(jù)圖2摩擦電序列表，當(dāng)列表兩端的材料相互摩擦?xí)r，頂端的材料失去電子帶正電，底端的材料得到電子帶負(fù)電。在排序中兩材料相距越遠(yuǎn)，其發(fā)生摩擦?xí)r電子轉(zhuǎn)移趨勢越大。并且根據(jù)接觸材料的摩擦電特性，每一種材料都可以帶正電荷或者負(fù)電荷[10]。

2.2 摩擦表面圖案化微結(jié)構(gòu)

構(gòu)造摩擦表面圖案化微結(jié)構(gòu)可以提升材料表面粗糙度、增大摩擦面積，從而提升摩擦表面電荷密度，增強(qiáng)系統(tǒng)電輸出性能。粗糙的摩擦表面在同等作用條件下能夠增大摩擦阻力，減弱摩擦材料對電荷的束縛，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移;并且在宏觀面積一定的條件下，通過制造微觀立體結(jié)構(gòu)，可以增大總的摩擦面積，增加單位電荷量。恰當(dāng)?shù)哪Σ帘砻鎴D案化微結(jié)構(gòu)還能夠延長摩擦納米發(fā)電機(jī)使用壽命[14]。如圖3（a）通過引入納米線/金字塔陣列來增大摩擦材料表面粗糙度，提高單位面積有效接觸面積，從而提升電荷總量，增大電流輸出[14];圖3（b）在摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中引入液態(tài)金屬，使固固摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃耗Σ?，有效避免了不良觸點(diǎn)的影響，可以獲得高電荷密度和高瞬時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率[15-16];圖3（c）在摩擦納米發(fā)電機(jī)中引入硅膠等軟質(zhì)材料，得到適宜應(yīng)用于智能可穿戴器件的纖維狀摩擦納米發(fā)電機(jī)[17]。另外，光、等離子體、電化學(xué)等蝕刻方式，也能夠增加摩擦電荷密度，提升電輸出性能，但設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、處理成本極高，難以推廣應(yīng)用[18]。

2.3 摩擦材料納米復(fù)合結(jié)構(gòu)

先進(jìn)的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以一定程度提升摩擦表面電荷密度。用納米顆粒修飾聚合物薄膜，形成納米電容器復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)聚合物薄膜對電荷的束縛能力，提升薄膜在摩擦或高壓極化后的表面電荷密度，實(shí)現(xiàn)高效的電轉(zhuǎn)化效率[19-20]。如圖4（a）所示，用自組裝單層膜、硫醇、硅烷等分別修飾導(dǎo)電材料Au、電介質(zhì)材料SiO2表面，能夠有效提高復(fù)合材料介電常數(shù)，從而提升其電荷捕獲能力。圖4（b）所示，復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)能夠分解無規(guī)則人體運(yùn)動對某特定部位的壓力，從而提升該結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)可集成性與柔性，并且大大延長摩擦納米發(fā)電機(jī)器件使用壽命[21]。在實(shí)際應(yīng)用中，構(gòu)建納米復(fù)合結(jié)構(gòu)這一方式適用性、經(jīng)濟(jì)性更好。

2.4 其他策略

摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)周期密度也是影響其電輸出性能的主要參數(shù)。在水平滑動模式下，可以通過構(gòu)造線型光柵結(jié)構(gòu)來減少相同表面積下設(shè)備操作所需的滑動距離，并增強(qiáng)電流輸出信號。電流頻率、振幅與光柵大小和數(shù)量呈正比。摩擦面尺寸越大，單位表面電荷密度下，總的電荷量越大。摩擦面相對移動速度越大，電輸出性能越高。

3 織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及相關(guān)應(yīng)用

織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)將織物的柔性與摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電功能結(jié)合，制造過程簡單，電輸出功率較高，應(yīng)用場景廣泛。并且織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)一般具備良好生物相容性和可穿戴性，在可穿戴電子領(lǐng)域具有巨大潛力?？椢锉划?dāng)作摩擦電材料時(shí)，一般充當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的固定部分或者做垂直接觸分離模式和單電極模式的游離層。波紋結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)可以在橫向拉伸和釋放模式下工作。摩擦納米發(fā)電機(jī)織物作為提供機(jī)械支撐的基體時(shí)，選擇另一種有更好摩擦電性能的材料附著在織物上可以顯著提高摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能。當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)在紡織品上集成時(shí)，大都充當(dāng)自供能系統(tǒng)的能源采集器、自供能傳感器。

織物作為基底或載體，在其表面涂覆其他材料充當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)摩擦層與電極，構(gòu)建摩擦納米發(fā)電機(jī)體系。這一體系中，微觀上天然具備特殊微結(jié)構(gòu)的織物表面，能夠增加有效接觸面積，從而增大輸出電流。但涂覆材料會降低織物本身的彈性、柔軟性、透濕透氣性等性能，降低該織物制得服裝的可穿性。

3.1 靜電紡制備摩擦納米發(fā)電機(jī)纖維

利用靜電紡絲制備所得微納尺度纖維具有結(jié)構(gòu)粗糙、比表面積高、透氣性好、易于改性，并且該制備方法有設(shè)備簡單、成本低廉、工藝簡便易推廣等優(yōu)點(diǎn)[22]。以此纖維為基礎(chǔ)，可以得到極大程度發(fā)揮理論功效的摩擦納米發(fā)電機(jī)，所以越來越多研究者開始著眼于推廣靜電紡技術(shù)在摩擦納米發(fā)電機(jī)纖維制備中的應(yīng)用，表2是近年來學(xué)者們的相關(guān)研究。

纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)兼具優(yōu)良的電輸出性、柔性[31]，有助于智能可穿戴設(shè)備進(jìn)一步微型化、集成化。其優(yōu)異的可加工性能大大提升了可穿戴器件的生物相容性，也為智能服裝社會化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[32]。

3.2 織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)研究應(yīng)用實(shí)例

摩擦納米發(fā)電機(jī)纖維用于織造智能可穿戴服裝時(shí)，紡織工藝及紗線結(jié)構(gòu)、面料結(jié)構(gòu)等會很大程度影響其輸出效率。Kwak等[33]研究發(fā)現(xiàn)，三維結(jié)構(gòu)織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出電壓是二維織物結(jié)構(gòu)的兩倍以上。Chen等[34]研究表明，平紋織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)電流輸出性能大于緞紋、斜紋織物。表3是一些應(yīng)用在服裝服飾上的織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究及相關(guān)分析。接著詳細(xì)介紹了其中較有代表性的纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)及相關(guān)應(yīng)用、“平織”層疊式摩擦納米發(fā)電機(jī)和核-殼同軸式摩擦納米發(fā)電機(jī)及相關(guān)應(yīng)用、摩擦納米發(fā)電機(jī)供電的運(yùn)動鞋快速消毒系統(tǒng)等。

3.2.1 基于單電極纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)的手勢識別智能手套

纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)具備所有必要組件，不需要任何外部材料協(xié)同作用即可獨(dú)立發(fā)電。Xie等[44]設(shè)計(jì)了單電極纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)，將螺旋鋼絲接地，皮膚作摩擦材料。如圖5（a）所示初始狀態(tài)下，當(dāng)皮膚接觸到硅橡膠時(shí)，負(fù)電荷保持在硅膠表面，正電荷留在皮膚上。短路條件下，電子從導(dǎo)電絲上傳導(dǎo)至地面，正電荷在電極聚集，當(dāng)皮膚離硅膠表面足夠遠(yuǎn)時(shí)，螺旋鋼絲電極電阻達(dá)到最大值，然后皮膚表面電子反向流動。當(dāng)皮膚回到原位，與帶電表面再次接觸，回到初始狀態(tài)。皮膚、電極間連續(xù)接觸-分離，使得螺旋鋼絲電極與地面間發(fā)生電子往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生交流電流和功率輸出。該類型摩擦納米發(fā)電機(jī)具有對低頻運(yùn)動的高靈敏度和快速響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間，可以作為主動物理運(yùn)動和人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鱗45-46]。如圖5（b）所示，將其集成在智能手套中，實(shí)現(xiàn)手勢感應(yīng)。平行連接的摩擦納米發(fā)電機(jī)與手指位置對應(yīng)，縫在手套背面。如圖5（c）所示，當(dāng)手指彎曲或者伸直時(shí)，皮膚和摩擦納米發(fā)電機(jī)接觸面積會發(fā)生變化，實(shí)時(shí)電壓也會相應(yīng)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)不同手勢的感應(yīng)。當(dāng)手指彎曲時(shí)，其他手指也會有輕微共振反應(yīng)。結(jié)果表明，智能手套彎曲狀態(tài)電壓明顯高于不動狀態(tài)下電壓，因此智能手套能夠有效識別手指彎曲的真實(shí)狀態(tài)。智能手套增加彎曲手指數(shù)量及相應(yīng)電輸出的增加分別為：1個(gè)（3 V）、2個(gè)（9 V）、3個(gè)（14 V）、4個(gè)（20 V）和5個(gè)（32 V）。后續(xù)可以對這方面做更多的可行性研究，擴(kuò)大至手勢姿態(tài)識別。

3.2.2 平織層疊式摩擦納米發(fā)電機(jī)和核-殼同軸式摩擦納米發(fā)電機(jī)

從紡織角度來看，恰當(dāng)?shù)拿媪辖Y(jié)構(gòu)、紗線形態(tài)均可提升摩擦納米發(fā)電機(jī)性能。田竹梅[42]分別從織物、紗線層面設(shè)計(jì)了新的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)輸出電信號。首先新的摩擦納米發(fā)電機(jī)織物結(jié)構(gòu)，如圖6（a），利用平織法制備了緯線為PET鍍鎳導(dǎo)電布的層疊式摩擦納米發(fā)電機(jī)，每兩層平織摩擦納米發(fā)電機(jī)組織中間加入硅膠絕緣薄膜。如圖6（b），該模型下電荷來源途徑較多：摩擦電極序不同的皮膚與摩擦納米發(fā)電機(jī)組織、平織摩擦納米發(fā)電機(jī)織物經(jīng)緯紗間、緯線與硅膠薄膜等三條路徑均會發(fā)生接觸-分離，產(chǎn)生電勢差，使電荷由低電勢電極向高電勢電極轉(zhuǎn)移，在外電路中實(shí)現(xiàn)周期性電流輸出。兼具3種相對獨(dú)立的電荷流通路徑，能有效放大電流信號，大大提升系統(tǒng)電輸出功率[42]。如圖6（c）所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)核-殼同軸式紗線基摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，同心內(nèi)外軸復(fù)合，內(nèi)軸以硅膠空心圓管為基底，微表面粗糙的聚酯鍍鎳導(dǎo)電布為摩擦正性材料和內(nèi)電極。外軸以硅膠空心圓管為基底及摩擦負(fù)性材料，其外涂敷導(dǎo)電硅膠為外電極。系統(tǒng)受外力發(fā)生形變時(shí)，內(nèi)管內(nèi)電極與外管硅膠材料接觸，電子從內(nèi)電極表面轉(zhuǎn)移至硅膠表面。外力撤銷時(shí)，內(nèi)外管分離形成電勢差，電荷經(jīng)外電路從外電極流向內(nèi)電極。當(dāng)系統(tǒng)再次形變時(shí)，電子經(jīng)外電路從內(nèi)電極流向外電極，在外電路產(chǎn)生反向電流。經(jīng)反復(fù)外力作用，電路中產(chǎn)生周期性交流電信號。如圖6（d），該核-殼同軸式摩擦納米發(fā)電機(jī)可采集按壓、彎曲、扭動等能量信息，并根據(jù)不同角度變化輸出信號強(qiáng)度、頻率實(shí)現(xiàn)角度傳感，檢測關(guān)節(jié)運(yùn)動角度等信息，為運(yùn)動訓(xùn)練或身體康復(fù)訓(xùn)練提供指導(dǎo)。

3.2.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)供電的運(yùn)動鞋快速消毒系統(tǒng)

織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)最大的應(yīng)用場景當(dāng)屬服裝服飾各個(gè)領(lǐng)域。Chiu等[43]利用納米線增強(qiáng)摩擦納米發(fā)電機(jī)電場，結(jié)合電穿孔效應(yīng)與可控過氧化氫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動鞋的快速消毒殺菌。如圖7（a）該系統(tǒng)中摩擦納米發(fā)電機(jī)夾在兩層滌綸織物中間，形成可穿戴纖維電穿孔裝置。圖7（b）多層摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)疊加可以放大電流，增強(qiáng)消毒殺菌效果。多個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)呈書架“之”狀結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)電流。圖7（c）自供電消毒殺菌組件系統(tǒng)，左下部位為系統(tǒng)控制和能源儲存部件，左上角則是一塊編織有導(dǎo)電纖維的織物。復(fù)合摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)附著在鞋墊上，在步行狀態(tài)下產(chǎn)生電信號，一方面作能源轉(zhuǎn)換器件收集能源，另一方面能夠直接對鞋墊部位進(jìn)行消毒殺菌，另一端的導(dǎo)電織物則是對其覆蓋部位進(jìn)行消毒。圖7（d）則是應(yīng)用在服裝和運(yùn)動鞋上的自供電快速消毒殺菌系統(tǒng)實(shí)物圖。

在現(xiàn)有理論模型基礎(chǔ)上提升織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)適用性的同時(shí)，難以兼顧其供能效率及工藝成本等。所以選擇最佳電極、摩擦材料，開發(fā)新的摩擦納米發(fā)電機(jī)組合形式是提升效率、控制其推廣成本的最佳途徑。

4 結(jié) 語

隨著人們對智能可穿戴設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定供能需求的愈發(fā)迫切，通過柔性織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)為相關(guān)電子器件提供能源已成為重要選項(xiàng)。摩擦納米發(fā)電機(jī)不僅具有重量輕、材料選擇豐富、結(jié)構(gòu)靈活、易于制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且擁有傳統(tǒng)電池不具備的高柔性、供能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好、適用性強(qiáng)、清潔環(huán)保等特性，在相當(dāng)多研究中已經(jīng)進(jìn)入生活場景試用階段，且能源供給表現(xiàn)較好。但仍存在一些不足與缺陷。

4.1 當(dāng)前階段摩擦納米發(fā)電機(jī)不足與缺陷

當(dāng)前階段，摩擦納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)普遍電流輸出功率較小，需要進(jìn)一步提升摩擦電荷密度。人體活動的隨機(jī)性使得每一摩擦周期中摩擦力度、接觸角度等存在不可確定的差異，從而導(dǎo)致摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出功率不穩(wěn)定。摩擦電系統(tǒng)電回路中電阻抗性過大，難以對電子元件直接、有效供電，所以這一系統(tǒng)現(xiàn)階段一般用于小功率的實(shí)時(shí)傳感等領(lǐng)域。由于低頻能源轉(zhuǎn)換得來的電流功率過小，難以用于充能，使得基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的整套能源供應(yīng)配套系統(tǒng)開發(fā)仍存在推廣瓶頸。實(shí)際應(yīng)用中上，摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出電信號大多為交流電信號，需要外接整流橋或電容器等，不利于微型化應(yīng)用。

將摩擦納米發(fā)電機(jī)復(fù)合在織物上也必然面臨電子器件的適體性問題：剪裁可能切斷其電流回路、撕扯可能打亂其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、洗滌可能降低其性能及耐久度、與人體直接接觸也需要考慮到穿著者安全與舒適性等方面的狀況。

4.2 發(fā)展趨勢及應(yīng)用

針對這些瓶頸，可以通過結(jié)合多種摩擦納米發(fā)電機(jī)模型、改造摩擦面形態(tài)等方式，適應(yīng)人體運(yùn)動隨機(jī)性;選用恰當(dāng)?shù)哪Σ翆?、介質(zhì)材料有效降低電回路電阻;通過提高摩擦表面電荷密度、加快摩擦周期、增大摩擦面積等方式增大輸出電流功率;基于當(dāng)前系統(tǒng)電流實(shí)時(shí)輸出的特性，設(shè)計(jì)能源儲存調(diào)配系統(tǒng)適配能源發(fā)生系統(tǒng)，最終設(shè)計(jì)出兼具優(yōu)異電輸出性能與織物性能的織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)。在能源轉(zhuǎn)換上，可以加大不需要外接電容器的恒流摩擦納米發(fā)電機(jī)等新型結(jié)構(gòu)研究力度，推動智能可穿戴設(shè)備自驅(qū)動系統(tǒng)小型化。

從能源采集角度，拓展電荷來源方式。未來織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)的研發(fā)除采集人體運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦、壓力等無規(guī)則能源外，還可以考慮從更廣泛的領(lǐng)域得到初始能源，包括雨滴墜落、風(fēng)能等低頻能源、光能、局部溫差供能、人體呼吸、血液流動、超聲波等。在同一摩擦納米發(fā)電機(jī)中設(shè)計(jì)相對獨(dú)立的多條電荷流通路徑，放大電流輸出信號。

在應(yīng)用場景角度，絕大部分能夠運(yùn)用紡織材料的領(lǐng)域均有應(yīng)用摩擦納米發(fā)電機(jī)的前景。也需要考慮拓展摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用形式，設(shè)計(jì)、構(gòu)建更多摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用模型，如醫(yī)療設(shè)備（給藥進(jìn)度、植入設(shè)備供電）、身體康復(fù)訓(xùn)練、疾病預(yù)警、體育訓(xùn)練指導(dǎo)等。結(jié)合織物的產(chǎn)業(yè)化用途，在產(chǎn)業(yè)紡織品上集成摩擦納米發(fā)電機(jī)，如轉(zhuǎn)換橋梁纜繩摩擦、拉扯、撕裂等狀態(tài)變化為電信號，實(shí)時(shí)監(jiān)測，提前預(yù)警，以便采取相關(guān)措施避免事故發(fā)生。

從環(huán)保角度來說，減少環(huán)保性欠缺的聚合物使用，改用可降解的天然木材[47]等環(huán)境友好型材料作為摩擦材料，有助于實(shí)現(xiàn)智能可穿戴領(lǐng)域的可持續(xù)性發(fā)展。

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