多種能量收集存儲為一體的自充電編織物研發成功

　　可穿戴電子器件，如電子皮膚、智能手表、運動手環等，已表現出替代傳統電子產品的巨大潛力，但因器件體積有限，電池續航時間短，應用受到限制。一種常規的策略是將輕便高效率發電模塊和高能量的存儲裝置做成織物，直接集成到可穿戴電子系統中，如基于纖維的光伏電池和電容器組成的自供電系統等。然而，光伏電池的工作狀態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、霧霾嚴重，太陽能的間歇性和不可預測性決定其并不總是可用的，如何利用不同的工作機制從環境中收集能量以替代和補償太陽能不足部分的需求是迫切的。相比之下，2012年由中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院董事教授王中林提出的摩擦納米發電機，可以從環境中收獲不同的機械能量。摩擦納米發電機主要是基于摩擦帶電和靜電感應的耦合效應，其對于頻率低于5 Hz機械能，具有傳統發電機不可擊敗的優勢，非常適用于收集如波浪、潮汐、人體運動等常規方法難以收集的能量，由此提出一種從環境中同時收集多種類型的能量的新策略，通過結合兩種不同發電單元同時收集太陽能和機械能，并將其儲存，使得能量資源可以有效地互補利用。

　　針對上述想法，在王中林指導下，由文震、葉旻鑫和郭恒宇等組成的團隊，研發了一種基于纖維管狀的摩擦納米發電機、染料敏化太陽能電池和超級電容器的多能量收集及存儲復合織物系統。其中，染料敏化太陽能電池主要是利用EVA軟管作為基礎框架結構，在Ti線上使用電化學陽極氧化法制備了TiO2納米管，在碳纖維上生長了Pt作為對電極，注入電解液封裝后，即構成了單根的纖維管狀染料敏化太陽能電池，在標準光源條件下其短路電流密度、開路電壓和填充因子分別為11.92 mA/cm2，0.74 V，和0.64，光電轉換效率可達5.64%；超級電容器主要也是利用EVA軟管作為基礎框架結構，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1.37 mJ/cm；摩擦納米發電機主要是基于染料敏化太陽能電池和超級電容器的基礎結構，在EVA管表面鍍置電極和摩擦層材料，單對纖維管狀摩擦納米發電機在模擬接觸分離運動時可輸出12.6 V電壓和0.15 μA電流。單根的各類器件均采用柔性結構材料，并在不同彎曲角度均展現出較好的輸出性能，因此可將上述器件任意組合，編織成不同的形狀和樣式，并根據輸出性能進行電路設計，最終實現同時收集太陽能和人體運動機械能并儲存于該織物的目的。

　　該可持續供電織物具有非常高的能量收集效率，可輕易驅動傳統的電子設備，如發光二極管、數字手表和各種傳感器等，相信通過后續的不斷改進和產業化規范制造，在不久的將來，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備直接充電。相關工作近日以Self-Powered Textile by Hybridizing All Fiber-Shaped Triboelectric Nanogenerator-Solar Cell-Supercapacitor for Wearable Electronics 為題發表于最新一期的《科學進展》（Science Advances）期刊。