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可穿戴织物基摩擦纳米发电机的研究进展
发布日期:2023-12-20 浏览次数:418

      织物型纳米摩擦发电机以其出色的输出性能、柔性和可穿戴性受到了科研人员的广泛关注。近期,武汉纺织大学徐卫林教授团队从空间维度、织造方式和织态结构等方面系统总结了近年来可穿戴织物基摩擦纳米发电机(TENG)相关的最新研究进展,对织物基TENG未来的发展方向及其可能遇到的挑战做出了展望。


      织物基TENG一般由摩擦材料和电极材料组成,电极层导出摩擦层的电荷。通过在不导电的纤维纱线表面改性或添加导电涂层等方法,导出接触起电或静电耦合产生的电荷;也可将导电纱线和摩擦材料纱线编织成核壳结构来导出电荷。


由一维/涂层结构组成的一维纱线TENGs


由一维/核壳结构组成的TENGs

      早期人们以聚合物薄膜作为摩擦材料制备TENGs,然而聚合物薄膜具有不耐洗、不透气、与衣服不相容等缺点。因此研究人员用窄的聚合物条带或布带取代了薄膜作为摩擦材料。虽然引入金属作为织物基TENG的电极,导出了摩擦层产生的电荷,但金属电极易疲劳断裂,与织物相比柔韧性欠佳。相比之下以核壳纱线为主的织物结构设计在柔软性、耐久性等方面更具优势,可采用电极的串并联结构优化TENGs输出电性能。


二维/基于条状编织结构的二维TENGs


二维/金属电极结构的二维TENGs


二维/核壳电极结构的织物基TENG


二维/串并联电极纤维结构的TENGs


二维/并联电极纤维结构的织物基TENG

      三维织物基TENG除了摩擦层和电极层之外,还有提供间隙的间隔层。间隔层必须具备适当的弹性和耐久性以维持电性能的稳定输出,同时应避免引入间隔材料影响摩擦层产生电荷。此外,三维织物基TENG大多以垂直分离模式工作,这对于收集以垂直运动为主的人体活动能量具有独特的优势。


三维-全柔性织物基TENG

      研究人员还展望了织物基TENG的未来发展方向:(1)目前采用标准化策略衡量TENGs输出性能仍有挑战;(2)织物基TENG高内阻的特性使得电压输出呈现高电压、低电流的特点,所以要进一步优化负载与织物基TENG的阻抗匹配;(3)大多数织物基TENG交流输出不利于直接供能电子器件,亟需解决织物基TENG整流器件的集成或柔性化;(4)织物基TENG电性能的输出具有瞬时性,将TENG与柔性电容器结合来保证自供电传感。

      据悉,相关研究成果以“Research progress of fabrics with different geometric structures for triboelectric nanogenerators in flexible and wearable electronics”为题发表在Advanced Fiber Materials上。

(来源:Advanced Fiber Materials)

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