基于织物纤维的可穿戴自充电供能系统的研究

The development of wearable smart electronics is hindered by currently used batteries as power source, due to their small energy density, frequent charging, and lack of flexibility. In order to solve this bottleneck-like challenge, this project aims to develop a textile yarn-based wearable self-charging power system, which integrates yarn-based triboelectric generator (TEG) as energy harvester for human motions and yarn-based supercapacitor (SC) as energy storage device. Conductive yarns will be first prepared. Then, structures and properties of the TEG will be optimized with principles of textile engineering. Surface nano-sturctures and modifications will be conducted to improve the output of the TEG. Yarn supercapacitor will be manufactured and the mechanism of its degradation will be studied, so as to explore strategies for enhancing its stability. At last, flexible power management circuit will be designed to realize a whole-flexible wearable self-charging power textile. This project will provide meaningful and innovative approaches for wearable energy harvesting and storage devices, and promote the final solution of the energy challenge of wearable smart electronics.

智能穿戴设备的发展受限于其电池电源的有限能量、频繁充电和不可变形性。为解决这一能源瓶颈，本项目拟开发一种基于织物纤维的可穿戴自充电供能系统，集成人体运动能量收集的纤维基摩擦发电机和能量存储的纤维超级电容器。本项目拟从制备导电织物纤维出发，结合纺织工程学优化纤维基摩擦发电机的结构和性能，并利用表面纳米化和表面改性等手段，提高纤维基摩擦发电机的输出性能；研究固态纤维超级电容器随时间的退化机制，改进其性能稳定性；开发柔性电源管理电路，实现全柔性的可穿戴自充电供能织物。本项目将为可穿戴能量收集和能量存储技术提供有益的新思路，并推动可穿戴设备的能源瓶颈问题的解决。

智能织物具有广阔的市场前景，因此，织物基电源系统和传感系统的相关研究近年来也受到了广泛的关注。本项目围绕智能织物相关领域，主要开展了以下方面的研究：（1）开发了一种基于织物纤维的可穿戴自充电供能系统，集成收集人体运动能量的纤维基摩擦发电机和存储能量的纤维超级电容器。利用表面氟化处理改性的摩擦纳米发电织物可输出电压高达60 V，与非对称超级电容器织物集成后，自充电织物可独立收集人体运动能量给小型穿戴电子提供电能。（2）开发了防染法制备的共面式微型锌电池织物，具有约1.7 V的放电电压。由于织物的多孔形貌有利于抑制锌金属电极的枝晶生长，电池稳定循环充放电1500次。（3）研制了大面积全织物压力传感器阵列，可应用于智能服装中来探测应力分布信号，以对身体的生理活动健康进行实时的检测和响应。（4）研制了一种全新的仿皮肤式摩擦纳米发电机，以离子水凝胶作为电极、弹性体薄膜作为摩擦起电层，首次在能源器件中实现兼具高透明度（平均透光率，可见光96.2％）和超高可拉伸性（单轴应变，1160％）。项目执行期间的研究工作受到了广泛的关注，以及跟踪研究，尤其是织物基的自充电电源系统、和超弹性摩擦纳米发电机，在相关领域具有原创性和引领性。本项目完成了既定的研究内容和目标，并取得了包括研究论文、国际专著、发明专利等在内的多项研究成果。本项目的成果对于可穿戴能量器件、传感器件等领域提供了新思路，并有利于推动可穿戴设备的能源瓶颈问题的解决。